郁江流域洪水重现期的时空演变实证分析与对策研究

黎协锐,韦广龙,黄福培,甘惠云

(1.广西财经学院，广西 南宁 530003；2.广西南宁水文中心 南宁水文中心站，广西 南宁 530008；3.广西新桂环保科技集团有限公司，广西 南宁 530033)

0 引言

洪水灾害是影响一个地区经济社会发展的一个重要因素[1]，治水一直以来是我国历朝历代进行国家治理的重大民生问题，特别是对那些具有高价值的工程项目或重大民生工程必须考虑项目建设所处位置的洪水重现期情况，以评估项目实施以后的风险，有效规避洪水带来的重大经济损失和人民生命财产的安全隐患。事实上，由于地球气候环境演变的自身规律和人类活动的影响，流域的洪水重现期从统计学的角度来看只要流域的水文、气候、下垫面等条件发生了变化，洪水分布的相关参数就会发生改变，洪水的重现期也就跟着发生变化。掌握郁江流域洪水重现期的时空演变与发展趋势、相关因素，厘清其与地区经济社会发展的联系，分析洪水重现期在国民经济、产业发展和人民安居乐业三个维度上对郁江流域地区发展的影响，科学合理地评估洪水灾害造成的各种损失，分析洪水灾害损失对经济社会系统的影响，探索洪水重现期与经济社会系统的耦合机制[2-3]，并通过构建经济社会脆弱性评价模型开展评价，给出针对重现期的地区反脆弱性发展策略，对于防灾减灾、恢复重建均十分重要，是灾害风险管理的基础性工作，是制定各项防洪减灾措施的重要依据，并为郁江流域各地区的经济社会发展提供参考[4]。

1 郁江流域洪水重现期的变化及原因分析

郁江流域洪水重现期的变化分3个阶段，在1949年前为第1阶段，1950—1979年为第2阶段，1980—2018年为第3阶段。本文将从时空演变、社会变迁和经济发展去分析郁江流域洪水重现期的变化和原因[4]。气候变化和人类活动均会导致郁江流域水文变化[5]。改革开放四十多年来，同全国一样，郁江流域在不断加大开发建设投入，封山育林，植树造林，退耕还林，退牧还草，森林植被、河、湖、泽等生态系统逐渐得到恢复。郁江流域中上游地区的地理环境复杂，多山地丘陵分布和强降水天气，降雨时空分布极为集中，使得该区域成为洪水灾害的高发地区，严重威胁到地区经济社会的发展。因此，避免和减少洪水灾害带来的损失，应对洪水灾害对经济社会系统的影响[6-7]，已经成为郁江流域各级政府当前亟待解决的重大问题之一。本文将以郁江南宁水文站(以下简称南宁站)为例，进行重现期的时空演变实证分析。

2 郁江流域南宁站洪水重现期分析

洪水重现期是洪水发生频率的另一种表示方法，以年为单位。洪水重现期是指某地区发生的洪水为多少年一遇的洪水[8]，意思是发生这样大小(量级)的洪水在很长时期内平均多少年出现一次。通常所说的某洪峰流量是多少年一遇，所说的多少年，就是该量级洪水流量的重现期。

洪水频率是指水文频率[9]。水文频率分析以概率统计理论为基础[10]，建立模型优化理论频率曲线参数，对经验频率曲线进行展延。理论频率曲线是对实际点据分布的拟合，拟合是对真实情形的近似，其参数估计结果必然存在不确定性[11-12]。以南宁站为实例，南宁站始建于1907年，是郁江上游控制站，流域面积72 656 km2，由于历史种种原因，1907—1935年流量资料缺失，故以1936—2018年年最大流量系列为研究实例做洪水重现期的演变分析。

2.1 洪水频率分析

2.1.1 演变年代系列划分

将南宁站1936—2018年年最大流量系列按时间顺序分为多个演变年代系列，演变年代每10年作一分段，结束年数计至9，开始演变年代年数N0≥30，划分演变年代系列对历年数值系列的方法如下：

Mi=Nk-1+10×(t-1)，

(1)

式中，Mi为演变年代系列;Nk-1为演变年代分系列;t=1,2,3,…,k;i=1,2,3,…,k。其中：0≤k≤10，N0≥30。如t=1,k=1,则Nk-1=N0为第1个演变年代分系列，按式(1)计算得南宁站第1个演变年代分系列是南宁站1936—1969年年最大流量系列。以此类推，分别算得南宁站第2个(1936—1979年)、第3个(1936—1989年)、第4个(1936—1999年)、第5个(1936—2009年)、第6个(1936—2018年)演变年代分系列，如图1所示。

图1 南宁站历年年最大流量各分系列线

2.1.2 计算依据

(2)

(3)

(4)

(5)

2.1.3 洪水频率计算

表1 南宁站年最大流量频率计算表

2.2 洪水演变分析

图2 南宁站年最大流量均值演变过程线图

2.2.2 分系列年最大流量变差系数Cv的分析

图3 南宁站年最大流量变差系数Cv演变过程线图

3 南宁站洪水重现期的基本判断

3.1 南宁站洪水重现期计算

以南宁站1936—2018年年最大流量系列按时间顺序进行分为多个演变年代系列(图1)，按皮尔逊Ⅲ型曲线适线法[15]，分别计算南宁站第1～6年代系列洪水重现期，表2为第6年代系列1936—2018年年最大流量频率重现期计算成果，第1～6年代系列洪水重现期计算结果见表3(南宁站年最大流量重现期演变统计表)。

表2 南宁站年最大流量频率重现期计算表

表3 南宁站年最大流量重现期演变统计表

由表3可知，第1～6年代系列的年数从34年到83年，50年来，年最大流量变差系数Cv从0.26到0.29的演变，流量频率重现期50年一遇流量从13 600 m3/s到15 200 m3/s、100年一遇流量从14 500 m3/s到15 300 m3/s，年最大流量演变趋势为逐渐增大。水位值是根据南宁站1936—2018年年最高水位Z与年最大流量Qi关系线查算得。

3.2 南宁站年最大流量演变分析

3.2.1 南宁站年最大流量变差系数演变

以南宁站1936—2018年年最大流量第1～6年代系列洪水重现期系列(表4)，南宁站第1～6年代系列洪水重现期演变是随流量变差系数增大，即流量值重现期而随年代推进而演变，从表4南宁站年最大流量变差系数演变对比统计结果可知，年最大流量变差系数分别为0.26、0.28、0.29的演变对比过程线均呈增大趋势。

表4 南宁站年最大流量变差系数演变对比统计

表4中水位值是根据南宁站1936—2018年年最高水位Zi与年最大流量Qi关系线查算得。

3.2.2 南宁站年最大流量频率重现期演变

以南宁站1936—2018年年最大流量频率重现期系列，南宁站第1～6年代系列流量频率重现期演变是随年代流量值增大，即年最大流量频率重现期而随之增大(表4)。年最大流量频率重现期50年一遇流量从13 600 m3/s到15 200 m3/s、100年一遇流量从14 500 m3/s到15 300 m3/s m，年最大流量演变趋势为逐渐增大。

3.2.3 南宁站年最高水位频率重现期演变

点绘南宁站1936—2018年年最高水位Zi与年最大流量Qi关系线(图4)，查算得年最高水位Zi，以年最大流量Qi频率重现期对应查出年最高水位Zi频率重现期(表3)，由南宁站1936—2018年年最大流量第1～6年代系列洪水重现期系列资料分析可知南宁站第1～6年代系列洪水重现期演变是随年代演变，即年最高水位Zi频率重现期而随年度演变而提高，水位频率重现期50年一遇水位从77.75 m到78.88 m、100年一遇水位从78.39 m到78.99 m，年最高水位演变为逐渐提高趋势。

图4 南宁站年最高水位Zi与年最大流量Qi关系线

3.3 南宁站洪水重现期的规律和对策

3.3.1 南宁站洪水重现期的基本规律

从表3南宁站年最大流量重现期演变统计可知，在同一流量频率重现期，流量频率重现期随年代推前而演变，从1936—2018年间，每推前20年，即年最大流量系列年从1936—1969年到1936—1989年，50年一遇的年最大流量的变量为14 100-13 600=500 m3/s；从1936—1989年到1936—2009年，50年一遇的年最大流量的变量为15 200-14 100 =1 100 m3/s，50年一遇的年最大流量的变量从500 m3/s 到1 100 m3/s。以此类推，100年一遇的年最大流量的变量从500 m3/s到300 m3/s。

经分析得，南宁站洪水重现期的基本规律：

① 南宁站洪水重现期随时间年代前进而发生演变，重现期频率小，则年最大流量的变量小；反之，重现期频率大，则年最大流量的变量大。

② 南宁站洪水重现期随频率变化而发生演变，重现期频率小，则年最大流量的变量大；反之，重现期频率大，则年最大流量的变量小。

3.3.2 对策

洪水发生率增多，主要是时空降水分布不均而导致的，而影响时空降水分布不均是下垫面温度和湿度共同影响下所致，出现异常气候，长时间降水，引发洪水不断。而后长时间无雨，造成干旱持久。治理的对策是：要对大流域下垫面自然环境气候内平衡，人与自然和谐，恢复和增加流域植被和森林的覆盖率，营造平衡大气循环，形成时空降水分布相对均衡。在人类活动影响因素方面，控制山岭开垦，制止人为破坏植被、破坏山林，营造绿水青山、人与自然和谐的环境。只有这样，才能达到自然环境气候内平衡，雨、水时空分布相对均衡，这个均衡就可减少洪水、干旱的发生率。

4 结论

根据以南宁站为代表的郁江流域洪水重现期实证分析的基本判断，近百年来郁江流域洪水的发生有次数更加频繁、量级在逐年递增、灾害损失越来越严重的趋势。经过改革开放四十多年来全流域采取封山育林、退耕还林、退耕还湖、退牧还草等强力措施，且国家工业化进程快速发展，大量农民迁移城市务工，农村居住人口急速下降，人类对流域自然生态的干扰得到有效减缓，流域生态得到一定程度的休养生息。做好流域发展功能区划分，严格控制生态功能区的国土开发强度，结合城市化进程和扶贫搬迁，组织部分生态功能区居民集约化居住，留出足够的生态空间。