西柳沟流域洪水极值演变特征及归因分析

2021-01-29党素珍姚曼飞何宏谋殷会娟郭欣伟

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2020年6期

党素珍，姚曼飞，何宏谋，殷会娟，郭欣伟

(黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南郑州 450003)

全球气候变化特别是极端气候事件对生态环境和人类社会产生了深刻影响，由此引起的区域乃至全球水循环变化和旱涝灾害等水文极值事件已成为水文研究的热点。在我国，许多流域的水文特征都发生了变化[1-2]，尤其是在进入21世纪后，黄河、海河和淮河等流域受到气候和人类活动的影响，流域内的径流量都呈现出不同程度的减少趋势[3-5]。20世纪80年代以来，众多学者对黄河流域水沙变化及其原因进行了研究，结果表明，黄河流域水土保持治理措施的实施和黄土高原植被改善是导致黄河水沙锐减的主要原因[6-8]。近年来，在黄河流域上游地区，洪量和洪峰流量都存在减少现象，随之也减弱了河床受到的流水冲刷作用，增大了来自十大孔兑高含沙洪水在黄河干流形成淤堵的可能性[9-10]。

本文以十大孔兑的西柳沟流域为研究区，分析西柳沟流域洪水极值序列的变化趋势、突变发生时间以及突变前后的不同重现期对应的洪峰流量变化情况；揭示流域洪水极值的演变特征，并分析降水变化、植被恢复和淤地坝建设等流域下垫面变化对洪水极值的影响。研究结果将为气候变化与人类活动双重影响下的西柳沟流域洪水预报、洪水资源利用以及黄河流域防洪提供科学支撑。

1 研究区概况

西柳沟为十大孔兑之一(东经109°24′～110°00′；北纬39°47′～40°30′)，全长106.5 km，流域总面积1 356.3 km2，发源于内蒙古自治区鄂尔多斯市北部丘陵沟壑区，向北流经库布齐沙漠，由昭君坟乡河畔村汇入黄河，西柳沟流域示意图如图1所示。1960年4月设龙头拐站作为流域把口水文站，控制面积1 157 km2，流域内还有柴登壕和高头窑两个雨量站。

西柳沟流域上游为黄土丘陵沟壑区，中游穿过库布齐沙漠，下游为冲积扇，流域内水土流失严重。西柳沟流域位于干旱大陆性季风区，干旱少雨。1960—2015年流域的年降水量为100～500 mm，降水主要集中在汛期，降水量占全年降水量的55%以上，且多为持续时间较短的高强度降水，产生的洪水峰高量少、陡涨陡落，洪灾、凌灾发生频繁。

图1 西柳沟流域示意图

2 数据及研究方法

2.1 研究数据

研究数据采用1960—2015年龙头拐站的洪峰流量数据及流域内龙头拐、高头窑、柴登壕3个站点的逐日降雨量数据(来自《黄河流域水文年鉴》)。

归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)又称为标准化植被指数[11]，常被用于描述植被生长动态的变化。NDVI数据能够客观地对研究区的植被情况进行表达，是现阶段应用较为广泛的一种植被指数[12]。该指数将表达地表植被动态变化过程中受到的火山爆发、大气辐射和太阳高度角等因素的影响降到了最低。本文采用第三代GIMMS NDVI数据集(NDVI3g v1.0，http://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/)，选用的数据集时间长度为1981年7月至2015年12月，栅格大小为8 km×8 km，时间间隔为15 d，该数据集由NASA戈达德航天中心制作。文中对原始数据进行投影转换、裁剪、波段运算等预处理，采用最大值合成法统计得到研究区1982—2015年NDVI的变化情况。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall(简称M-K)检验法[13]是世界气象组织推荐并被广泛用于实际研究的非参数检验法。其优于其他检验法的是分析样本不需要遵从一定分布，且其检验结果排除了异常值的影响，适合用于水文等非正态分布数据的趋势分析，计算简便，定量化程度高。对该时间序列Y=(Y1,Y2,…,Yn)构造标准正态分布统计量Z：

(1)

其中：

(2)

式中：n为数据样本的长度；Yj、Yk为第j、k个样本；t为第k组数据点的数目；变量s服从正态分布；Var(s)为方差。

统计变量UF和UB的计算公式如下：

(3)

UBk=-UFk′。

(4)

式中：E(s)=k(k+1)/4；k′=n+1-k。

对于统计量Z:Z>0,表明数据序列存在上升趋势;Z<0,表明数据序列存在下降趋势。给定置信水平α=0.05，Zα/2=1.96，若|Z|>Zα/2，则说明被检验序列存在显著的变化趋势；若|Z|≤Zα/2，则说明被检验序列无显著的变化趋势。突变时间点为UF和UB两条曲线在置信水平线之间出现的交点。

2.2.2 年最大洪峰流量频率分析

本文分别采用广义极值分布(Generalized Extreme Value Distribution，GEV)、广义帕累托分布(Generalized Pareto Distribution，GPD)、伯尔分布(Burr Distribution，Burr)、P-Ⅲ型分布(P-Ⅲ Distribution，P-Ⅲ)和广义逻辑分布(Generalized logical Distribution，GLO)5种极值统计分布函数来模拟西柳沟流域龙头拐站年最大洪峰流量序列。采用的分布函数及其累积分布函数见表1[14]。

表1 GEV、GPD、Burr、P-Ⅲ和GLO分布的累积分布函数

本文对样本与所采用分布函数的拟合情况用K-S检验、AIC信息准则法和离差平方和最小准则(OLS)来检验。

K-S检验的计算公式为：

D=max|F(x)-Fn(x)|。

(5)

式中：F(x)为经验分布频率；Fn(x)为用分布函数计算得出的理论频率。

若D

AIC信息准则法[15]的计算公式为：

AIC=nln(RSS/n)+2m。

(6)

式中：RSS为残差平方和；n为数据样本的长度；m为参数个数。AIC越小，表明函数拟合效果越好。

OLS计算公式为：

(7)

式中：i为数据序号；Pei为经验频率；Pi为理论频率。OLS越小，表明函数拟合效果越好。

3 结果与讨论

3.1 年最大洪峰流量变异分析

1960—2015年西柳沟年最大洪峰流量变化曲线如图2所示。由图2可知：1960—2015年龙头拐站年最大洪峰流量的均值为760.78 m3/s，最大值为1989年的6 940 m3/s，最小值为1983年的80.6 m3/s；1960—2015年龙头拐站年最大洪峰流量的M-K检验值Z为-2.11，通过了置信水平α=0.05的显著性检验，说明西柳沟年最大洪峰流量呈显著减少的趋势，其下降速率为-11.64 m3/(s·a)。

图2 西柳沟1960—2015年年最大洪峰流量变化曲线

采用M-K检验和累积距平法对龙头拐站年最大洪峰流量序列进行突变分析，检验结果如图3所示。

图3 西柳沟1960—2015年年最大洪峰流量M-K检验和累积距平曲线

由图3(a)可知，西柳沟年最大洪峰流量M-K检验曲线存在多个交点，且交叉点基本都集中在2005年以后；图3(b)为1960—2015年西柳沟年最大洪峰流量累积距平曲线的变化过程，综合确定突变的年份在2005年。

3.2 不同重现期对应的最大洪峰流量变化分析

分别采用GEV、GPD、P-Ⅲ、GLO、Burr这5种极值统计分布函数对西柳沟流域龙头拐站的年最大洪峰流量全部序列(1960—2015年)和突变前序列(1960—2004年)进行拟合，结果如图4、图5所示，拟合检验参数结果见表2。由图4、图5及表2可以看出：对于西柳沟流域年最大洪峰流量序列，其全部序列和突变前序列的最优分布均为Burr分布；而P-Ⅲ分布的效果最差。因此，相较于其他分布函数，洪峰序列模拟不适合用P-Ⅲ分布。

图4 1960—2015年龙头拐站年最大洪峰流量全部系列在不同分布下的频率分布图

图5 1960—2004年龙头拐站年最大洪峰流量突变前序列在不同分布下的频率分布图

表2 西柳沟流域年最大洪峰流量拟合检验结果

由全部序列与突变前序列相应的最优分布计算西柳沟流域不同重现期对应的洪峰流量，结果见表3。由表3可知：与利用突变前序列最优分布计算结果相比，利用全部序列最优分布计算的相同重现期时的洪峰流量较小，即年最大洪峰流量的重现期变大，特大洪水出现概率变小；全部序列最优分布计算的50年一遇洪峰流量与突变前序列最优分布计算的90年一遇洪峰流量相当。

以上分析计算的结果与西柳沟流域的实际情况相符。在下垫面发生变化之前，西柳沟流域的特大洪水发生次数较多，在1960—2015年期间，西柳沟10年一遇以上的洪水发生了5次，其中有且仅有1次发生在突变后。

表3 龙头拐站年最大洪峰流量序列突变前后不同重现期的洪峰流量 m3/s

4 原因分析

4.1 降雨变化影响

利用西柳沟流域1960—2015年年最大洪峰流量及对应的1日降雨量及其之前的3日降雨量序列，计算得到1989年以来年最大洪峰流量和对应的1日降雨量及3日降雨量序列Cs/Cv30年滑动值变化过程，如图6所示。

图6 西柳沟流域年最大洪峰流量和降雨序列30年滑动Cs/Cv变化过程

随着水文资料的增加，洪峰特大值没有变化，Cs/Cv值逐渐减小。因此，Cs/Cv值的变化趋势可以反映水文特大值出现的趋势。由图6可知：年最大洪峰流量序列与对应的1日降雨量及3日降雨量序列的30年滑动Cs/Cv值的变化趋势有所不同；特别是2003年之后，年最大洪峰流量序列30年滑动Cs/Cv值呈逐渐下降趋势，而洪峰流量对应的1日降雨序列30年滑动Cs/Cv值则是逐年增大，对应的3日降雨量序列30年滑动Cs/Cv值呈现波动变化。由此说明，西柳沟流域年最大洪峰流量的变化主要不是由降雨造成的。

4.2 下垫面变化影响

西柳沟流域下垫面变化主要为植被恢复和淤地坝建设，流域内梯田、鱼鳞坑等水保措施极少[16-17]。因此，主要分析植被覆盖变化和淤地坝建设对流域洪峰流量的影响。

4.2.1 植被恢复影响

对NDVI数据进行大气校正、MVC法等处理后，流域当年的植被覆盖情况用流域内年生长季NDVI数据的全区平均值来表示，得到的NDVI数据用以分析1982—2015年西柳沟流域的植被覆盖状况，结果如图7所示。

图7 1982—2015年西柳沟流域NDVI变化过程

由图7可以看出，西柳沟流域1982—2015年的NDVI数据以每年增加0.002的速率在上升，植被覆盖情况正在得到改善。植被覆盖变化可分为2个阶段：1982—2000年，流域植被覆盖率稳中有升，年际波动较小，处于相对稳定状态；2001—2015年，植被覆盖改善趋势明显，年际间波动较大，特别是在2011—2015年期间。

利用M-K检验对西柳沟流域1982—2015年的NDVI序列进行趋势分析。结果显示，M-K检验值Z为4.28，通过了置信水平为0.05的显著性检验，表明近34年西柳沟流域的NDVI总体表现为显著增加趋势。

西柳沟流域上游为黄土丘陵区，随着植被覆盖率增加，洪水强度减弱，洪水汇流时间随之增加。因此，流域植被覆盖率增加引起的年最大洪峰流量变化是洪水重现期变化的主要因素之一。

4.2.2 淤地坝建设影响

西柳沟流域淤地坝建设是从20世纪90年代开始的，1990—1999年间，西柳沟流域仅建成1座骨干坝。自2003年水利部将淤地坝建设作为“亮点工程”开始，流域内开始大规模建设淤地坝，统计至2016年年底，西柳沟流域已建成106座淤地坝，其中骨干坝40座，中型坝31座，小型坝35座[18]。西柳沟流域不同时期淤地坝建设情况详见表4。流域内淤地坝的大规模建设使流域的下垫面特征发生了较大改变，对流域内的洪水产生了一定的影响。因此，淤地坝的建设也是引起流域年最大洪峰流量变化的重要原因之一。