热带岛屿南渡江洪水归槽影响下防洪能力分析

陈成豪，黄泓杰，李龙兵，肖才荣，邢李桃，朱丽蓉，叶长青

(1.海南省水文水资源勘测局，海口 570203；2.海南大学 环境与植物保护学院，海口 570228；3.海南大学 旅游学院，海口 570228)

0 引 言

在气候变化和人类活动影响下，极端气候事件频频发生。20世纪90年代以来，中国众多河流几乎年年出现重现期超20年一遇甚至50年一遇的洪水[1]。抵御洪水的侵害方面除了加强流域管理等非工程措施外，修建提防、水库等水利工程，仍是目前对洪水进行调蓄的主要手段[2]。但防洪工程减少了滞洪容积，增加了洪水在主河槽运动的能量，从而引起下游断面涨水过程和洪峰流量增大、水位增高，而退水过程流量减小、水位降低，这种现象被称为洪水归槽。洪水归槽使洪水形成和变化规律发生了变异，影响了洪水发生的频率和强度[3]。

防洪能力指在一定的经济、技术和社会发展条件下，通过防洪工程和非工程措施，某区域能够经受住多大频率的洪水而不至于使防洪保护区发生灾害[4]。由于流量与洪水频率之间的关系相对稳定，防洪能力的大小常用实测河道洪峰流量对应的洪水频率表示。受变化环境如洪水归槽等因素影响，流域径流产生的背景一致性已经不在，传统水文频率推求设计洪水将面临失真风险。因此，洪水归槽影响下防洪能力评价的核心就是非一致洪水序列频率计算问题。国内对非一致性水文序列频率计算作了很多有益的研究[5-8]，较常用的方法是基于还原/还现途径。如吕忠华等[8]提出的类似还原计算的方法，将出槽洪水进行归槽分析，使得洪水序列具有一致性。对非一致性水文序列，可建立基于时变统计参数进行估计洪水设计值[9]；Waylen和Woo[10]提出混合分布模型和基于条件概率的分析方法。国外非一致性洪水频率分析方法主要有：时变矩，局部似然法，分位数回归和混合分布模型等[11]。这些方法虽然已经在不同的流域得以应用并取得一定的成果，但也存在一定不足，例如时变参数估计法[9]通过线性趋势来表征水文频率分布的参数(均值、方差)随时间的变化过程，但由于水文频率分布形式的复杂性，目前推导考虑非线性时变趋势的参数解析公式还比较困难。小波分析具有强大的多尺度分辨功能，能识别序列中各种尺度的频率成分，且处理非线性、非平稳序列的能力比较强，相对于如今国外常用的时变参数估计法更便于处理洪水归槽引起的非一致性洪水序列[12]。然而小波分析在非一致性洪水序列的水文频率计算方面尚没有得到广泛应用。

南渡江属放射状的热带海岛水系河流。河流沿着中高周低的地势放射奔流入海，河短坡陡，难于留住降水。流域内台风较频繁，暴雨强度大，洪水来势迅猛，暴涨暴跌，峰高、过程线尖瘦、洪量高度集中等。上游龙州河，源出海南屯昌县黄竹岭东南麓，南流经南吕农场后折向东北，进入定安县后拐向北流，于定安县城镇西汇入南渡江，长约99 km。流域内很少有湖泊水库进行调蓄洪水，洪水由两岸洪泛区进行调蓄。随着沿岸人口的增加和经济的发展，两岸防洪堤逐年兴建并加高加固，致使遭遇一般洪水或较大洪水时洪泛区原有的蓄滞洪水功能逐步丧失，洪水归槽下泄，洪峰增大。继2008年10月发生大洪水后，2011年9月又遭遇较大洪水袭击。短短10年左右时间，龙州河下游已遭遇2～3次近50年一遇的特大洪水灾害。本文将小波分析的多频分辨功能用来识别非一致性洪水序列的确定性成分，对于揭示变化环境特别是水利工程影响下洪水设计值响应规律具有重要意义。

1 研究方法

1.1 水文变异诊断系统

水文序列包括确定性成分和随机性成分。确定性成分包括周期、趋势和跳跃成分；随机成分由不规则的振荡和随机影响造成。若水文序列与周期、趋势和跳跃成分无关，则它是平稳的时间序列，表明整个水文序列具有相同的物理成因，其统计规律也满足一致性[3]。否则，水文序列就是非平稳的，其统计规律是非一致的。水文变异诊断的目的就是要推测序列中存在的各种确定性成分，并从水文序列中分离出随机性成分，从而采用非一致性序列的水文频率计算方法得到不同时期即过去、现在和未来变化环境下水文序列的频率分布，为水利工程规划设计、施工管理提供可靠的水文依据。

在水文序列变异诊断方法上，针对不同水文序列成分的诊断方法也有所区别。趋势推断一般较为简单，而跳跃推断较为复杂，跳跃发生的时间以及跳跃的范围可能由于检验方法的不同而得出不同的结论。谢平[13]提出用于水文序列变异诊断的水文变异诊断系统，该系统主要考虑了趋势和跳跃两种变异形式，由初步诊断、详细诊断和综合诊断三个部分组成，具体方法介绍详见文献[13]。该系统解决了传统检验方法只能进行单一变异形式的识别，不能从整体上识别与检验时间序列变异及其变异程度；跳跃变异中单一检验方法有时检验结果不合理、多种检验方法常常检验结果不一致的问题。本文应用水文变异诊断系统进行水文序列变异诊断。

1.2 非一致性洪水序列频率计算方法

小波分析(WLT)具有时-频多分辨率特性，它是一种窗口大小固定但其形状、时间窗和频率窗都可改变的时频局部化分析方法[13]。其特点在于能识别各种尺度的频率成分，具有强大的多尺度分辨功能，并且时间域与频率域上同时具有良好的局部性。因此在对非平稳信号进行分析时具有很大的优势，能更精确地识别非一致时间序列中的确定性趋势成分。WLT对信号处理的过程可参考文献[12]。

对于非一致性洪水序列，基于谢平等[14]提出的非一致性径流序列分解与合成法的水文频率计算原理。采用基于小波分析的非一致性洪水频率计算方法对洪水频率进行分析。其计算步骤如下：

(1) 采用水文变异诊断系统[13]识别洪水序列是否发生变异，若没有变异，则可以直接进行一致性的洪水频率计算；若发生了变异，则说明洪水序列是非一致的，需要进行非一致性洪水频率计算；

(2)对于非一致性洪水序列，采用小波分析对洪水序列的组成成分进行分析，经有限次分解最后得到的低频成分即是洪水序列的确定性趋势成分，进而得到非一致性洪水序列的随机性成分；采用非线性函数对趋势成分进行拟合，得到非一致性洪水序列在时间域上的确定性规律；采用P-Ⅲ型频率曲线对随机性成分进行频率分布拟合，得到洪水序列在频率域上的随机性规律；

(3)根据确定性规律预测某个具体时间的确定性成分，利用Monte Carlo法生成满足统计规律的纯随机序列，将确定性成分与随机性成分进行分布合成；

(4)采用传统的一致性水文频率计算方法推求合成序列的频率分布，并推求过去、现状和未来不同时期和不同频率的年最大洪峰流量[3]。

2 应用实例

2.1 年最大流量序列变异诊断

选用1956-2013年(共58年)南渡江三滩水文站实测年最大流量序列并对其进行洪水归槽影响下的防洪能力研究。采用Hurst系数法定量表征时间序列的持续性或长程相依性，采用R/S分析方法计算Hurst系数，由最小二乘法求得h=0.553。采用水文变异诊断系统，对三滩站实测年最大流量序列进行检验。在第一信度水平α=0.05、第二信度水平β=0.01的条件下，其变异诊断结果如表1。

表1 南渡江三滩站年最大流量序列变异诊断结果

注：表格中“-”表示跳跃或趋势不显著。

从诊断结果可以看出(表1)：三滩站年最大流量序列的Hurst系数值h=0.553，第一Hurst 系数值置信限hα=0.660，h

2.2 年最大流量小波分解

采用db5正交小波[13]对三滩站年最大流量序列进行Matlab小波分解，得到不同尺度高频成分d1～d5和低频确定性成分a5，如图1所示。

图1 南渡江三滩站年最大流量小波分解图

2.3 年最大流量确定性成分拟合

根据小波分解的结果，三滩站年最大流量序列存在整体趋势a5。令x=t-1969，根据最小二乘法，得出趋势方程Yt,2，即：

Yt,2=0.8x2-38.1x+1 448.7

(1)

如果最大流量序列没有趋势变化，且保持相对一致的话，序列的均值将是经过直线Yt,2第一点(t=π+1)的一条水平线，其方程为Yt,1，它反映了年最大流量序列变化前的趋势情况。因此，年最大流量序列变化前后的趋势差值Yt,2-Yt,1即为南渡江三滩站年最大流量序列的确定性成分[12]：

(2)

根据式(2)得到南渡江三滩站年最大流量序列趋势变化如图2。

图2 南渡江三滩站年最大流量序列趋势变化

2.4 年最大流量随机成分提取

根据时间序列Xt的分解原理，随机性成分由St=Xt-Yt，得：

(3)

将确定成分与随机性成分提取结果列入表2。

表2 南渡江三滩站年最大流量序列成分提取结果

综上求得三滩站年最大流量去除趋势成分后的随机序列(图2)。利用基于Hurst系数的水文变异分析方法对随机性成分进行变异诊断，取第一信度水平为α=0.05，对应的Hurst系数置信限分别为hα=0.661，计算得Hurst系数值为H=0.505，H

2.5 年最大流量随机性成分的频率计算

假设随机性成分服从P-Ⅲ分布，利用L矩估参法[15]绘制与经验点据拟合良好的频率曲线和统计参数。对三滩站1956-2013年最大流量序列的随机性成分St进行频率分析，计算P-Ⅲ型频率曲线的均值为Ex=1 231.9 m3/s，变差系数Cv=0.547 2，偏态系数Cs=1.094 4，样本点距与曲线拟合的模型效率系数R2=98.92%，其计算结果见表3中的“过去”，频率曲线如图3中“过去”所示。

图3 南渡江三滩站年最大流量频率曲线

2.6 非一致性年最大流量序列合成计算

采用分布合成的方法，进行非一致性洪水序列的合成计算。首先采用Monte carlo法[14]随机生成年最大流量合成样本点据，并统计大于等于每一个样本点据的次数n，然后用期望值公式计算每个样本点据的经验频率，用L矩估参法[15]对这个样本序列进行P-Ⅲ型分布频率曲线计算，其中南渡江年最大流量考虑现状条件，即2013年条件下合成序列的均值为Ex=1 974.2 m3/s，变差系数Cv=0.609 2，Cs=1.218 4，样本点据与频率曲线拟合的模型效率系数为99.62%，其频率曲线如图3中“现在”所示，计算结果见表3中“现在”所示，如果未来4年影响年最大流量形成的趋势条件与现状相同，则未来4年条件下合成序列的均值Ex=2 025.3 m3/s，Cv=0.472 0，Cs=0.811 0，样本点距与频率曲线拟合的模型效率系数为R2=99.39%，其频率曲线如图3中“未来”所示，计算结果见表3中的“未来”。

由表3可以看出，相同频率相同重现期下，南渡江三滩站最大流量呈增长的趋势，且与过去相比，现状最大流量增长较快，这是因为南渡江从20世纪90年代中后期至今开始出现了几次修堤高潮，加速了洪水归槽现象的产生。而与现状相比，未来最大流量有所增长但增长速度与现状基本一致，说明由归槽引起的洪水影响程度相比现状趋于稳定。总之，在同频率同重现期情况下，过去、现状和未来3个时期的洪水量级呈增长趋势，南渡江堤坝的防洪能力不断下降，直接威胁着整个流域堤坝防洪和人民生命财产安全，未来南渡江防洪形势将更加严峻。

2.7 洪水频率计算结果比较分析

随机性成分的频率计算结果可以反映过去年最大流量的条件，2013年确定性成分与随机性成分的合成，可以反映现状最大流量的形成条件，未来四年的确定性成分与随机性成分的合成，可以反映未来状况下年最大流量的形成条件。3个时期的频率分布曲线如图3所示，其计算结果见表3。

表3 南渡江三滩站年最大流量不同时期频率计算结果

采用基于小波分析的非一致性洪水频率计算方法对三滩站1956-2013年年最大流量资料进行水文频率计算，其多年平均年最大流量在过去、现状和未来3个时期的评价结果为：1 231.9、1 974.2、2 025.3 m3/s，说明年最大流量呈增长的趋势，反映了未来与过去，以及现状与过去的最大流量形成条件存在差异，变差系数Cv在过去、现状和未来3个时期的评价结果为：0.547 2、0.609 2、0.472 0 m3/s，说明年最大流量在过去和现状情况下变化幅度增大，在未来会有减小的趋势，即多年最大洪水值之间的离散程度减弱。偏态系数Cs在过去、现状和未来3个时期的评价结果为：1.094 4、1.218 4、0.811 0 m3/s，说明年最大流量在过去和现状情况下偏态程度增强，在未来条件下减弱，相对均值的对称程度先增强后减弱。

2.8 洪水归槽对南渡江防洪能力影响分析

2.8.1 过去、现状水位流量关系

南渡江上游龙州河防洪主要是依靠修筑防洪堤，防洪堤的防洪能力主要基于水位高低及其对堤防安全的威胁程度来衡量。通过构建过去和现状条件下龙州河的洪峰水位流量关系，将设计洪峰流量转化为设计洪峰水位，并结合《海南省防洪(潮)规划报告》，比较堤防高程与洪峰水位设计值的大小，以此评价过去和现状条件下堤防的防洪能力。

2.8.2 南渡江三滩站水位流量关系

三滩站年最大流量序列在1969年发生变异，因此将水位流量关系分为两个阶段来讨论，即1956-1969年为第一阶段，1970-2013年为第二阶段，分别反映了过去和现在的水位流量关系。以流量为横坐标，水位为纵坐标绘制水位流量关系曲线，并用二次多项式对水位流量关系进行拟合，如图4所示。

图4 南渡江三滩站水位流量关系

过去条件下的水位流量关系如下所示；

y1=0.002 996x+23.61

(4)

现状条件下的水位流量关系如下所示；

y2=-0.000 000 579 21x2+0.004 303x+23.25

(5)

三滩站过去状况下的水位流量关系曲线在现状水位流量关系不稳定，二者具有一定的差异(图4)；在相同且一般的流量条件下，现状条件下的水位大多都低于过去条件。造成这种现象的原因在很大程度上是由于受到洪水归槽的影响，汛期河道内流量猛增而造成河床严重下切所致。

2.8.3 洪水归槽影响下的南渡江防洪能力

堤顶高程是防洪堤设计的重要指标，也是影响防洪能力的重要因素。堤顶高程大致包括设计洪水位和堤顶超高。

根据我国《堤防工程设计规范(GB50286-2013)》规定，堤顶超高和堤防的级别有直接的关系，包括设计波浪爬高、设计风壅增水高度和安全加高；同时，对于1、2 级堤防，堤顶超高值不得小于1.0 m。由于资料条件的限制，本文不直接计算设计波浪爬高和设计风壅增水高度，而是以1.0 m为底限，以0.2 m为间隔进行情景分析，从而评估安全超高取1.0～2.0 m时南渡江的防洪能力。对于超过2.0 m的安全超高，其分析过程和1.0～2.0 m类似。

2.8.4 南渡江防洪能力分析

对于基于跳跃分析的非一致性洪水频率计算方法，可以假设其未来条件和现状条件相同，即本文中得出的现状条件下的频率计算结果，可以用来分析未来条件下的设计洪水位。根据《海南省防洪(潮)规划报告》，取南渡江上游龙舟河堤顶平均高程32 m，如果堤顶高程保持不变，可以反推设计洪水位，从而得出不同时期堤防防洪能力的评价结果(表4)。

表4 不同时期不同安全超高南渡江三滩站防洪能力评价结果

可以看出：取安全超高1.0～2.0 m时，在过去条件下，南渡江防洪堤能抵御6～10年一遇的洪水，而在现状条件下，南渡江防洪堤只能抵御2～3年一遇的洪水。另外，南渡江的堤围工程普遍存在工程标准低、质量差，且多为土堤，存在石堤化程度低，险工险段多等问题。海南经济基础较为薄弱，对堤防工程的投入不足。虽然从20世纪90年代中后期开始出现了几次修堤高潮，但相当部分的堤防工程未能达标，无法抵御设计标准的洪潮灾害，严重威胁着保护区内的人民生命财产安全。

综上可以得出结论，南渡江防洪堤的防洪能力有所下降，且下降的幅度比较明显，这样的防洪能力远远没有达到防洪规划中对于堤防防洪能力的要求。

3 结 语

针对洪水归槽研究普遍存在着不确定性问题，本文采用水文变异诊断系统和基于小波分析的非一致性水文频率的计算方法，结合南渡江三滩站1956-2013年的实测年最大流量序列，对受洪水归槽影响的南渡江上游龙州河防洪堤的防洪能力进行分析，结论如下。

(1)南渡江三滩站实测年最大流量序列在1969年发生了跳跃的弱变异，变异影响下，现状条件防洪堤的防洪能力将不足以抵抗大洪水。

(2)应用基于小波分析的非一致性频率计算方法对三滩站洪水序列进行频率计算，推求出过去、现状、未来3个时期的洪水频率分布。现状和未来条件下的频率曲线均比过去条件下有较大幅度的提升，而且提升幅度随着频率的升高而增大，未来防洪压力会比现在更大。

(3)当安全超高在1.0～2.0 m变化时，按照堤防工程设计规范内容，受洪水归槽影响，三滩站洪水发生的频率和量级发生了较大的变化，堤防的防洪能力有所降低。其堤防可以抵御的洪水标准从过去条件下的10～18年一遇，降到现状条件下的3～6年一遇。

(4)本文中用于堤防防洪能力评价的堤顶超高值并非南渡江上游龙州河堤防的实际设计值，因此，会对评价的结果造成一定的影响，有待进一步搜集资料对其进行完善。

综上所述，南渡江龙州河受到洪水归槽 等因素的影响，防洪堤的防洪能力受到较为严重的影响，因此，应当加强对堤防的建设。本文是通过历史资料分解得出一个抛物线式的趋势项，该趋势在序列内部比较可靠，但趋势外延应该会产生一定误差。趋势项若用于外延今后还需进一步研究。

□

[1] 叶长青，陈晓宏，张丽娟.变化环境下武江超定量洪水门限值响应规律及影响[J].水科学进展，2013，24(3)：392-401.

[2] 黄夏坤，郝振纯，梁才贵.防洪堤对洪水的归槽影响研究[J].中山大学学报.2008,47(2):151-156.

[3] 许 斌，谢 平，谭莹莹.洪水归槽影响下西江中游防洪能力分析[J].水力发电学报.2014,33(2):65-70.

[4] 刘兴华.流域防洪能力研究[D].南京：河海大学,2007.

[5] 梁忠民，胡义明，王 军. 非一致性水文频率分析的研究进展[J].水科学进展，2011，22(6)：864-871.

[6] 胡义明，梁忠民，杨好周，等.基于趋势分析的非一致性水文频率分析方法研究[J]水力发电学报，2013，32(5)：21-25.

[7] 李 扬，宋松柏.高阶概率权重矩在洪水频率分析中的应用[J]水力发电学报，2013，32(2)：14-21.

[8] 吕忠华,胥加仕,刘建业.西江中下游洪水归槽问题研究[J].人民珠江,2002,(6):37-40.

[9] Singh V P, Wang S X, Zhang L. Frequency analysis of non-identically distributed hydrologic flood data[J]. Journal of Hydrology, 2005,(307):175-195.

[10] Waylen P,Woo M K. Prediction of annual floods generated by mixed processes [J].Water Resources Research，1982，18(4)：1 283-1 286.

[11] Khaliq M N, Ouarda T B M J, Ondo J C, et al. Frequency analysis of a sequence of dependent and/or non-stationary hydro-meteorological observations:a review[J]. Journal of Hydrology, 2006(329):534-552.

[12] 谢 平，李析男，刘 宇.基于小波分析的非一致性洪水频率计算方法[J].水力发电学报，2014,33(1):15-22.

[13] 谢 平，陈广才，雷洪富.水文变异诊断系统[J]. 水力发电学报，2010,29(1):85-91.

[14] 谢 平，陈广才，夏 军.变化环境下非一致性年径流序列的水文频率计算原理[J].武汉大学学报，2005,38(6):6-15.

[15] 熊立华，郭生练.L矩在区域洪水频率分析中的应用[J].水力发电，2003,29(3):6-8.