变化环境下设计洪水计算方法研究——以辽宁省为例

王福东，金 鑫，佘敦先，谢自银

(1.辽宁省防汛抗旱指挥部办公室，辽宁 沈阳 110003； 2.辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003； 3.武汉大学 水循环与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072； 4.南京水利科学研究院 水资源研究所，江苏 南京 210029)

设计洪水计算是水文水利计算的重要内容，是涉水工程规划设计、防洪减灾规划的核心技术环节。长期以来，技术人员都是依据相对稳定的环境，使用线性、一致、稳态的计算方法。近年来，随着气候变化及人类活动对水文一致性影响的增强，原有方法的准确性、适用性已存在质疑。表现为：① 全球气候变暖改变了世界范围的气候格局，引起了全球尺度上的气温、降水的变化，导致洪水形成与转化的外源驱动力发生改变，亟需对气候变化特征及洪水设计值之间的关系进行识别分析[1-3]。② 土地开发利用、城市化建设的快速发展，导致流域下垫面特征发生较大变化，产汇流机制及过程发生改变[4]，水文要素非一致性凸显，需要根据新的环境完善设计洪水计算方法。③ 随着经济社会的发展，中小河流、中小城镇防洪安全日益重要，矛盾日益突出，设计洪水计算已由大江大河扩展到无(缺)径流观测资料的中小流域，亟需开展相关研究。④ 随着水文系列的延长、监测手段的完善，以原有观测资料为基础的设计洪水成果与实际存在偏差，部分地区洪水频率曲线拟合精度不高，急需进行复核修正。综上，开展变化环境下设计洪水计算方法研究不仅是当前国际水科学领域研究的热点，也是我国水文领域亟待解决的重要课题。

研究从变化环境下辽宁省水文要素演变规律入手，分析各变化特征对设计洪水的影响；在此基础上，对辽宁省有、无资料地区设计洪水计算方法进行探讨，以期为辽宁省涉水工程规划设计、防洪减灾提供技术支撑。

1 变化环境下辽宁省水文要素演变规律

收集了辽宁省气象、水文、下垫面等资料，选择544处雨量站、64处水文站建站至2013年的资料，集成趋势分析、M-K检验、双累积曲线分析等方法，系统识别辽宁省降水、洪水、产汇流3方面的演变特征。受篇幅所限，仅列出部分成果，如图1所示。

图1 辽宁省水文要素演变规律Fig.1 Variation law of hydrological elements in Liaoning Province

由图1可知：在降水方面，辽宁省汛期降水量呈略减少趋势，场次暴雨发生频次有所降低，标准历时(10 min，30 min，60 min，3 h，6 h，12 h，24 h，3 d)的年降水极值系列基本保持一致性；在洪水方面，辽宁省主要河流实测洪峰流量、还原洪峰流量多呈下降趋势，除东部部分河流外，整体呈非一致性特征；在产汇流方面，各流域降水-径流关系多在1970～1980年期间发生明显突变，在相同降水条件下径流整体呈下降趋势。

进一步分析表明：气候变化对辽宁省降水的影响主要表现为削减降水总量及场次暴雨发生频次，对极值降水系列影响相对较小。气候变化通过改变降水规律对辽宁省洪水造成一定影响，但下垫面变化导致的产汇流规律改变是引起辽宁省洪水非一致性的主要原因。其中，建有控制性水利工程的大江大河干流，洪水非一致性主要受水利工程调蓄影响；中小河流则是水利工程调蓄及土地利用/植被变化双重影响共同导致，辽西部分中小河流土地利用/植被变化占比相对较大[5]。

2 有资料地区设计洪水计算方法研究

变化环境背景下，有长期径流观测资料水文站的设计洪水计算通常有2种方法。第一种方法是通过还原/还现，将非一致性水文系列转化为表征某一稳态环境的一致性序列，再通过水文频率分析计算设计洪水；第二种方法是通过识别洪水设计值与变化环境指示因子之间的关系，建立设计洪水计算的非一致模型[6]。第一种方法是目前工程中广泛应用的方法；第二种方法尚处于研究阶段。

2.1 水文频率分布曲线线型优选

水文频率分析是有长期径流资料水文站设计洪水计算的通用方法，通常采用特定的频率分布曲线来拟合水文要素的经验频率特征，从而对未来可能的情况做出概率意义上的定量预估。变化环境背景下，仍符合一致性特征水文系列可直接采用水文频率分析法计算设计洪水；不具备一致性的水文系列可在还原(还现)处理后，再采用水文频率分析法计算设计洪水。频率分布曲线是水文频率分析法的核心，目前尚无法从理论上证明应采用何种频率曲线描述洪水统计规律，我国自20世纪60年代以来一直采用皮尔逊III型曲线。多年研究和应用表明，皮尔逊Ⅲ型曲线在湿润地区效果较好，而在干旱半干旱地区应用效果不理想。在辽宁地区，皮尔逊Ⅲ型曲线在辽东、辽中地区应用效果良好，但在辽西地区存在一定偏差，高频洪水及低频洪水难以同时达到满意的效果(见图2)。

图2 辽西干旱半干旱区水文频率分析Fig.2 Hydrological frequency analysis of arid and semi-arid areas in Western Liaoning Province

针对这一问题，研究对设计洪水频率分布曲线线型进行优选，选取符合洪水要素频率分布规律(统计量非负、单侧有限、非对称)的10种线型对辽西干旱半干旱地区22处水文站(见表1)年最大洪峰流量系列进行配线优选，适线目标为离差平方和最小，结果见表2。可知：波尔Ⅻ型(EBⅫ)线型拟合效果较好，拟合度R2均在0.95以上，可更好地反映干旱半干旱地区的洪水特征，推荐在设计工作中使用。

表1 辽西代表站洪水系列Tab.1 Flood series of representative stations in Western Liaoning Province

表2 辽西22站洪水频率分析线型优选Tab.2 Line type optimization of Flood Frequency for 22 Stations in Western Liaoning Province

EBⅫ分布曲线概率密度函数见公式(1)。

(1)

式中：λ,c,k分别为EBⅫ型分布曲线的尺度参数、形状参数和不等式参数。当k≤0时，该分布曲线满足非负约束，可用于水文频率分析。以辽西大凌河支流老虎山河德立吉水文站为例，采用不同频率分布曲线分别计算其100 a一遇及1 000 a一遇洪峰流量。其中，采用P-Ⅲ曲线配线，计算结果分别为4 473，7 316 m3/s；采用EBⅫ曲线配线，计算结果分别为4 008，10 012 m3/s。二者的点距拟合度R2分别为0.934，0.974，EBⅫ曲线的拟合效果较高。在低频洪水段(如P=0.1%)EBⅫ曲线计算成果要高于P-Ⅲ曲线计算成果。

综上，在辽宁地区有长期径流资料水文站洪水频率分析中，对于湿润区，仍推荐采用皮尔逊Ⅲ型频率分布曲线。对于干旱半干旱区，如需综合考虑高频洪水及低频洪水，则优先推荐使用波尔Ⅻ型频率分布曲线；如仅考虑低频段洪水，可在充分论证的基础上，采用皮尔逊Ⅲ型频率分布曲线。其他地区也可参考使用。

2.2 考虑气候变化的设计洪水计算非一致模型

随着气候及下垫面变化对流域洪水影响的增强，设计洪水特征值也发生变化，传统方法计算成果存在偏差，亟需进行处理。对于下垫面变化，通常采用还原/还现的方法消除其影响；对于气候变化，则选取敏感因子，建立考虑气候变化的设计洪水计算非一致模型。在目前的相关研究中，GAMLSS模型是一种常用的设计洪水非一致计算方法。GAMLSS模型是一种半参数回归模型，可将多种解释变量纳入模型中，并描述随机变量序列的统计参数与解释变量之间的线性或非线性关系，可用于分析非一致性条件下，以时间、气候指标为解释变量的洪水极值序列频率的变化特征[7-8]。研究选用的气候变化解释变量为对中国区域气候有显著影响的北极涛动(AO)、北太平洋涛动(NPO)、太平洋年代际振荡(PDO)3项。当模型中累计概率分布参数为常量时，GAMLSS模型为传统的一致性模型(Model 1)；当累计概率分布参数随时间变化时，GAMLSS模型为时间序列非一致性模型(Model 2)；当累计概率分布参数随气候指标变化时，GAMLSS模型为考虑了气候变化的非一致性模型(Model 3)。以东白城子水文站为例进行实证研究，东白城子水文站位于辽河一级支流绕阳河干流，集水面积2 138 km2。水文站上游无控制性水利工程，下垫面变化对径流影响相对较小，实测流量可作为天然流量。基于此，建立考虑了气候变化的设计洪水来计算非一致性模型，如图3所示。

图3 考虑气候变化因素的设计洪水计算模型Fig.3 Non-uniform calculate model for design flood considering climate change

图3为东白城子水文站100 a一遇(P=1%)的设计洪峰。其中Model 1为传统的一致性模型，结果为恒定值637 m3/s；Model 2为累计概率分布参数随时间变化的非一致模型，100 a一遇洪峰流量随时间变化衰减，反映了洪水的趋势性特征；Model 3为累计概率分布参数随气候指标变化的非一致模型，反映了气候变化特征。结果表明：气候变化影响下，东白城子站100 a一遇设计值的最小值为285 m3/s，最大值为1 196 m3/s。

3 无(缺)资料地区设计洪水计算方法研究

辽宁省无(缺)径流观测资料地区设计洪水计算采用由设计暴雨推求设计洪水的方法。相关研究起始于20世纪60年代，最近的成果《辽宁省中小河流(无资料地区)设计暴雨洪水计算方法》完成于1998年(以下简称98手册)，距今已有20 a，气候条件、下垫面特征均已发生变化，方法及成果存在偏差。针对此，研究基于变化环境特征进一步完善辽宁省无(缺)资料地区设计洪水计算方法。

3.1 设计暴雨计算方法

辽宁省代表雨量站各历时的暴雨极值系列仍基本具备一致性特征，在设计暴雨计算时采用以点推面的计算方法。选取全省544个代表雨量站，收集各站建站至2016年最大10,30,60 min，3,6,12,24 h，3 d共8个标准时段资料，绘制均值及Cv计16张等值线图，以查算设计点雨量。筛选出中心降雨量大于200 mm、连续降雨间隔小于6 h的典型暴雨162场建立数据集，按水文分区确定设计面雨量动点动面法参数成果及1 h为单位的雨型分配方案，以计算设计面雨量及暴雨时程分配过程[9]。

对于任意历时设计暴雨，以8个标准时段雨量为控制建立了衰减指数公式，见公式(2)～(3)。

(2)

(3)

式中：ti为标准历时ta～tb之间的某一时段；pi、pa、pb为ti、ta、tb历时对应的设计雨量；nab为折算系数。

3.2 设计洪水计算方法

辽宁省无(缺)资料地区设计洪水计算采用设计暴雨推求设计洪水的方法，即在“雨洪同频”假定下，通过水文模型由设计暴雨成果推求同频率的设计洪水过程。其核心问题为：① 采用何种水文模型；② 如何确定无资料地区的模型参数。

对于问题①，辽宁产汇流特征复杂，辽东地区以蓄满产流为主；辽西地区以超渗产流为主，且随着环境变化蓄满产流特征逐渐加强；西南、东南部沿海地区兼具蓄满、超渗特征。研究集成降水径流相关法等经验模型，时变增益模型[10]等集总式模型，TOPMODEL等分布式模型，构建辽宁省洪水计算模型体系；并按照地域、集水面积综合确定适用条件(见表3)。

表3 辽宁省洪水计算模型体系Tab.3 Flood model system of Liaoning Province

对于问题②，提出了如下2种无资料地区模型参数确定方法。

(1) 地区综合法。基于气象、水文、下垫面、产汇流相似的原则完成辽宁省水文分区，将辽宁省划分为6个大区、18个小区(见图4)，并根据同一分区内各流域产汇流特征的相似性，建立辽宁省无(缺)资料地区水文模型参数确定地区综合法。认为分区内产汇流特征相近，可共用一组参数，并由分区内有资料的水文站综合确定，相关参数见文献[11]，这里不再累述。该方法可实现经验模型、集总式模型在无(缺)资料地区的延伸。

图4 辽宁省水文分区Fig.4 Hydrological regionalization of Liaoning Province

(2) 参数移用法。基于相似理论，选择坡度、土地利用、土壤等指标构建流域相似指数[12]，建立无(缺)资料地区水文模型参数确定的相似流域参数移用法，可为分布式模型参数确定提供支撑。

在变化环境背景下，依据辽宁省降水-径流关系在1970～1980年发生突变的特点，重点依据变化环境后(1980年后)的场次暴雨洪水来率定模型参数。

选用浑河支流苏子河占贝水文站为代表，进行无资料地区设计洪水计算方法实证研究，并与以往方法(98手册)计算成果对比，同时采用频率分析法计算成果作为标准进行验证。为保证方法的一致性，采用辽宁饱和产流模型计算产流，综合经验单位线法计算汇流，地区综合法确定参数。采用本文方法参数，占贝水文站100 a一遇、1 000 a一遇洪峰流量分别为4 220，6 438 m3/s；采用98手册方法参数，计算结果分别为4 811，7 546 m3/s；采用频率分析法，计算成果分别为4 266，6 807 m3/s。可见：依据本文方法参数，计算成果较98手册偏小，但具有更高的精度。

4 结 语

针对气候变化及人类活动影响下，水文非一致性增强，原有设计洪水计算方法及成果存在偏差，不能满足辽宁省水利工程规划设计及防洪减灾的突出问题，对变化环境下辽宁省设计洪水计算方法进行研究。建立了适用于辽西地区洪水频率分析的EBⅫ线型；构建了考虑气候变化的设计洪水计算非一致模型；完善了辽宁省无资料地区设计洪水计算方法及成果。成果已在辽宁省水利工程设计中得到应用，并在松辽流域部分地区得到推广，效果良好。

本研究侧重于对设计洪水计算方法的研究，尚未涉及变化环境下水资源、水生态、水环境的过程及方法，这也是未来需要研究和探索的新课题。