绕阳河流域暴雨洪水特征分析

巩士群

(辽宁省阜新水文局，辽宁 阜新 123000)

绕阳河发源于辽宁省阜蒙县扎兰营子乡察哈尔山，由西北流向东南，绕阳河流域面积10348km2，干流河长326km，是辽河最大支流。其中东白城子以上为低山丘陵区，河长128km，流域面积2138km2[1]。流域年降水量在460～520mm之间，汛期6—9月降水量占全年降水量的80%以上，局部暴雨较多，暴雨时空分布不均，降雨强度差异较大[2]。绕阳河流域洪水汇流历时较短，洪峰陡涨陡落，且峰高量小，基本属于超渗产流[3]。洪峰径流系数较小，一般在0.05～0.31之间[4]。多项研究成果表明[5- 9]，受气候变化影响，绕阳河流域暴雨发生的频次和强度都有明显增加的变化，尤其是2022年，受极端气候影响，绕阳河流域共出现3次区域性暴雨天气过程，平均累计降水量541mm，为历史同期第一位。此外受气候变化和人类活动综合影响，绕阳河发生中等量级洪水的场次呈现明显增多变化，2022年7月绕阳河流域东白城子水文站发生有历史洪水统计资料以来第二位洪水。为提升绕阳河防洪能力，亟需对其防洪治理工程进行科学规划和设计，而暴雨洪水特征分析是其科学规划和设计的重要支撑。当前对于绕阳河流域暴雨洪水特征取得一定研究成果[10- 15]，但均未对其进行系统全面的分析，为此结合绕阳河东白城子水文站以上流域内43个降雨站点近65a降水观测数据及场次洪水观测数据，对其暴雨径流特征进行分析。研究成果对于绕阳河防洪治理工程规划和设计具有重要参考价值。

1 暴雨洪水特征趋势检验方法

采用M-K非线性趋势显著性检验方法对绕阳河暴雨洪水特征值进行趋势检验，该方法针对样本序列X进行秩序样本序列的构造：

(1)

式中，Sk—样本xi>xj在第i时刻的累加值；k—样本序列总个数；ri—构造的第i个秩序样本序列值。

ri计算方程为：

(2)

假定各年份暴雨洪水特征值序列属于独立随机的时间序列，对其进行统计量U的计算：

(3)

式中，E(Sk)—Sk序列的均值；var(Sk)—Sk序列的方差。

当样本序列满足相互独立条件时，其均值和方差计算方程分别为：

(4)

(5)

当达到90%的显著性检验水平时，其统计量U值为1.96，当统计量U值低于该临界值，则表明趋势不明显，若高于该临界值，则表示趋势明显。若统计值为正表示为递增趋势，若统计值为负表示为递减趋势。

2 研究资料

结合绕阳河东白城子水文站以上流域内43个降雨站点1956—2021年降水量观测数据，采用泰森多边形方法对流域近65a面降水进行计算，建立面降水数据系列，分别对其24h内超过100mm的暴雨场次以及暴雨量进行统计和趋势检验。利用东白城子水文站1956—2022年场次洪水观测数据，对洪水要素重现期为5～20a的洪水场次、洪水总量、洪峰流量变化特征进行统计和趋势检验。

3 研究成果

3.1 暴雨场次变化特征

结合绕阳河东白城子水文站以上流域内43个降雨站点1955—2022年降水观测数据，对各年代际24h降水量超过100mm的暴雨场次进行统计，并对各年代际暴雨场次进行变异系数Cv值和变化趋势进行分析，结果见表1。

表1 绕阳河流域暴雨场次变化特征

从绕阳河流域暴雨场次变化特征可看出，近65a绕阳河流域各年代际24h降水量超过100mm的暴雨场次总体呈现递增变化趋势，1956—2022年暴雨场次均值达到29次，场次最高的年代际为2010年代，20世纪80年代发生暴雨场次次数最少，为16次，其不同年代际暴雨场次年递增率均值为7次/10a。变异系数Cv值表征数据波动程度，Cv值越小表示其波动程度越低，绕阳河流域各年代际Cv值在0.31～0.35之间，变异系数相对较低，表明流域暴雨场次不同年代际波动程度相对较为稳定。通过非线性显著性检验，绕阳河流域各年代际显著性检验统计值均在±1.96之内，表明各年代际递增或递减的趋势均不显著。

3.2 暴雨量变化特征

在暴雨场次统计的基础上，对各年代际绕阳河流域24h超过50mm的暴雨量进行统计，并对其变异系数Cv值和暴雨量变化趋势进行分析，结果见表2。

表2 绕阳河流域暴雨量变化特征

形成绕阳河流域的暴雨天气系统有华北气旋，高空槽和台风等，通过对绕阳河流域暴雨量进行统计分析，近65a流域暴雨量总体呈现递增变化趋势，尤其是20世纪90年代以后，其递增趋势显著性逐步增加，20世纪90年代、2000年代、2010年代流域暴雨量显著性检验统计值均高于1.96，通过90%的显著性检验水平。1960—2022年流域暴雨量均值为476.5mm，各年代际暴雨量年递增率为38.5mm/10a。各年代际暴雨量Cv值和暴雨场次统计的Cv值较为接近，总体在0.31～0.35之间，绕阳河流域暴雨量年代际波动特征不显著。

3.3 中洪水场次变化特征

结合绕阳河流域东白城子水文站1955—2022年场次洪水观测数据，对洪水要素重现期为5～20a的中洪水场次进行统计和显著性检验，结果见表3。

表3 绕阳河流域中洪水场次变化特征

近67a以来东白城子水文站中洪水场次总体呈现递增变化，流域内尤其是中上游地区土质多为沙土及沙壤土，汛期降雨集中且强度大，洪水挟带大量的泥沙下泄、堆积，较易造成河道横向摆动加剧，影响流域的防洪安全。流域洪水主要来源于干流东白城子以上区间，暴雨比较集中，大多数年的暴雨发生在7—8月。本流域洪水由暴雨产生，绕阳河干流东白城子场次洪水历时一般为1～3d。1955—2022年东白城子水文站发生中洪水场次均值为32次，年递增率为7次/10a。各年代际洪水场次Cv值变化差异较大，总体在0.29～0.50之间，各年代际绕阳河流域中洪水场次波动特征较为明显。各年代际中洪水变化趋势统计值总体低于1.96，变化趋势显著性较弱。

3.4 中洪水洪量变化特征

在中洪水场次分析的基础上，对各年代际中洪水洪量变化特征进行统计，结果见表4。

表4 绕阳河流域中洪水洪量变化特征

从绕阳河流域中洪水洪量变化特征可看出，东白城子水文站各年代际中洪场次洪量总体呈现递增变化，近67a东白城子中洪水洪量均值为0.243×108m3。2010年代绕阳河流域场次洪量出现最高值，达到了0.685×108m3。20世纪80年代流域出现中洪水洪量最低值，为0.065×108m3。从各年代际场次中洪水洪量变化Cv值可看出，各年代际具有较大的变化差异性，总体在0.21～0.51之间，均值为0.36，表明各年代际绕阳河流域中洪洪量波动特征较为明显。各年代际流域中洪洪量变化趋势统计值均在±1.96内，变化趋势不显著。

3.5 中洪水洪峰变化特征

在中洪水洪量分析的基础上，对各年代际中洪水洪峰变化特征进行统计，结果见表5。

表5 绕阳河流域中洪水洪峰变化特征

从绕阳河流域中洪水洪峰变化特征，其中洪洪峰均值为677m3/s，洪峰最高值为1972年7月，洪峰值为2110m3/s，场次洪水暴雨中心在上游的韩家杖子站，洪峰最小值出现在1957年7月，通过分析该场次暴雨量较大，但由于前期较为干旱，因此产生的洪峰量级较低。各年代际流域洪峰总体呈现递增变化，由于区域内下垫面条件影响，流域土壤沙化现象较为严重，流域下渗能力递减现象较为明显，使得流域相同降水量级下的洪峰量级均有增加。经分析，相同降水量级下，2000年代以后洪峰相比于2000年代以前平均增加10%。从各年代际洪峰变化Cv值可看出，流域洪峰变幅年代际波动特征也较为明显。通过分析各年代际洪峰变化趋势的显著性检验值也均在±1.96内，年代际洪峰变化趋势不显著。

4 研究结论

(1)华北气旋、高空槽和台风是绕阳河流域暴雨产生的天气成因，华北气旋易造成流域强降水，6h暴雨量累积超过100m，流域内发生中洪水的频次达到65%，流域暴雨中心主要位于东南部，西北部暴雨量相对较低。

(2)绕阳河流域洪水主要来源于干流东白城子以上区间，东白城子场次洪水历时一般为1～3d，其中历时在1～2d的中洪水场次占总场次洪水比例为57%，2～3d的场次占比为38%。

(3)本文未对绕阳河流域暴雨洪水变化的成因进行深入分析，存在不足，在后续研究中重点对其变化成因进行深入分析。