汦河流域洪水特性分析

刘庆华

（河北省邢台水文勘测研究中心，河北 邢台 054000）

受季风气候影响， 邢台市尤其是西部太行山迎风区暴雨洪水灾害频发、重发。历史上“63·8”、“96·8”特大暴雨洪水及近年的2016、2021 年高强度暴雨洪水给当地经济社会、 人民生命财产带来巨大危害和损失。同时，邢台市河系呈典型的扇形分布，河流源短流急，洪水突发性强、 破坏力大， 给洪水预报工作带来较多困难。随着经济社会的迅速发展，防洪减灾工作对洪水预报成果精准度要求越来越高， 亟需通过区域的洪水特性分析开展洪水预报关键技术研究， 为区域暴雨洪水灾害精准防控及风险应对提供有力技术支撑。

1 流域概况

汦河位于邢台市，源头有3 个，其北支发源于临城县石家栏乡（嶂石岩山区），河段长34.5 km，流域面积188.99 km2；中支发源于内丘县獐貘乡黄岔村，河段长38.9 km，流域面积195.01 km2；南支（赛里川）发源于内丘县南赛，河段长15.0 km，流域面积27.97 km2。3 支于临城县西竖汇合后，经内丘、隆尧，在宁晋县徐家河村西的关帝庙与午河汇合，至曹台流入北澧河，河流全长98.0 km，流域面积945.0 km2。区域内有临城水库、西台峪2 处常年监测水文要素的水文站；郝庄、官都、西台峪3 处河道水位流量监测站，12 处雨量监测站。

2 时空变化分析

2.1 年内变化

流域内全年降水主要集中在7、8 月份， 占全年降水量的80%左右， 其中又以7 月下旬至8 月上旬最集中， 是全年降水高峰。 据6 个代表站1956—2021 年资料统计， 大于100 mm 以上的暴雨日数大多发生在7、8 两个月， 占全年暴雨日数80%以上；9月显著减少，日雨量在50 mm 的一般占10%左右［1］；10 月份暴雨很少出现。汛后期很少出现连续两天的暴雨，另外还有持续时间短、发生次数少的特点。

2.2 年际变化

流域内暴雨的年际变化是我国暴雨变化最大的地区之一，单站年最大24 h 降雨量的最大值与最小值比值达8～23， 年最大24 h 暴雨的变差系数可达0.6～0.8。3 d 和7 d 暴雨的年际变化更为突出， 有的站一次大暴雨就可能接近本站多年平均降水量，甚至超过多年平均降水量的1～2 倍［2］。

2.3 暴雨空间分布

暴雨的分布与地形有密切的关系。 从长历时暴雨均值空间分布来讲， 总体趋势沿着流域山脊线从暴雨中心向周围递减。 最大1 d 点雨量均值120～85 mm，最大3 d 点雨量均值160～130 mm，最大7 d 点雨量均值200～160 mm， 最大15 d 点雨量均值260～190 mm， 最大30d 点雨量均值320～250 mm，獐貘、赵庄、石家栏一带为高值区。

3 流域洪水趋势分析

3.1 Mann-Kendall 非参数秩次相关检验法

（1）不同历时降雨及场次暴雨分析。采用流域建站年份至2021 年的实测暴雨资料，计算其不同历时暴雨及场次暴雨特征值系列采用Mann-Kendall 非参数秩次相关检验法对流域暴雨特征值的变化趋势进行判断。经分析计算，流域的不同历时暴雨及场次暴雨特征值均呈上升趋势，但变化趋势不明显，如表1。

表1 流域暴雨特征秩次相关检验成果

（2）日降水量大于50 mm 暴雨日数分析。采用流域建站以来至2021 年的实测暴雨资料，暴雨日数选取日降水量大于50 mm 的天数； 暴雨强度采用年暴雨量与年暴雨日数之比； 暴雨贡献率采用暴雨量占总降水量的百分比。采用Mann-Kendall 非参数秩次相关检验法对流域暴雨日数的变化趋势进行判断［4］。经分析计算，流域的不同历时暴雨日数呈下降趋势；而7 月暴雨有增加趋势、8 月暴雨有减少趋势， 但并不显著。

3.2 线性趋势回归分析法

（1）不同历时降雨及场次暴雨分析。采用流域典型站实测暴雨洪水资料（1954—2021 年），计算其次暴雨量特征值系列， 采用线性趋势回归分析方法对次暴雨特征值的变化趋势进行判断。 流域的次暴雨量呈下降趋势，但并不显著，如表2。

（2）日降水量大于50 mm 暴雨日数分析。经分析流域内年平均暴雨日数1.53 d， 且存在较大差异。暴雨日数最大值是7 d， 次大值是4 d；7 d 发生年份为1963 年和2021 年，4 d 发生年份为1956、1973 年和2016 年［5］。年暴雨日数线性趋 势为-0.003/10a,68 年暴雨日数减少0.02 d，如图1。

图1 1954—2021 年流域年暴雨日数变化特征

（3）月暴雨日数、暴雨量和暴雨强度。流域暴雨集中出现在7—8 月， 占全年暴雨量的82.6%；6—9月（汛期） 暴雨日数占全年暴雨日数的86.5%［6］；7—8 月不仅是暴雨集中出现时段，而且也是暴雨最强时期，从近68 年的暴雨演变特征分析，在进入21 世纪以来7 月暴雨有增加趋势，8 月暴雨在减少， 但并不显著。

4 突变点分析

4.1 有序聚类法［3］

通过流域典型站西台峪水文站建站以来的实测暴雨资料，计算其次暴雨量特征值系列，采用有序聚类分析方法对次暴雨特征值的变异特征进行分析，西台峪以上流域次洪水总量序列1994 年有一个明显跳跃点，如图2。

图2 典型代表站西台峪以上流域次暴雨序列有序聚类跳跃点检验

4.2 双累积曲线法

利用降水量—径流量双累积曲线（图3），对西台峪以上流域汛期降水量和汛期天然径流量进行分析计算，点绘该流域双累积曲线［7］。由图3 可见，该流域降雨产流双累积曲线斜率发生变化的年份为1978 年，因此西台峪流域降雨产流规律发生变化的年份在1978 年。

4.3 Lee-Heghinian 法

利用Lee-Heghinian 法分析时间序列的变异特征，计算比较各时间点所对应的条件概率密度值，洪峰、洪量条件概率密度如图4，效果直观，图4 的峰值或明显的转折点就是序列的跳跃点。

图4 西台峪洪峰和洪量f(τ)～τ 关系

西台峪以上流域的f(τ)值有明显峰值，洪峰和洪量的变异点出现在1963 年， 对照历史资料，1963 年洪量值为84.96×103m3，洪峰流量为3990 m3/s，为历年最大值，符合实际变化情况。

4.4 非参数pettitt 检验法

采用各典型代表流域建站年份至2021 年的实测暴雨洪水资料，计算洪水特征的时间序列，采用非参数pettitt 检验法对流域洪水特征时间序列的突变点进行分析，采取5%显著水平进行检验，如表3。通过检验值说明，西台峪以上流域洪峰和洪量时间序列变异不明显。

表3 流域洪水特征非参数pettitt 检验成果

5 结语

（1）区域内暴雨特点：①年内分配集中。汛期（6—9月）雨量占全年降雨量75%～85%。近68 年流域内7 月份暴雨增多，8 月暴雨减少。2000—2021 年暴雨明显增多，进入21 世纪暴雨初期提前；②年际变化大。年最大24 h 暴雨变差系数（Cv）达0.6～0.8。单站年最大24 h 暴雨量系列中， 最大年与最小年的比值达8.6～22.4 倍；③暴雨强度大。据点雨量记录统计，区域60 min 和7 d最大降雨记录为我国大陆之最。

（2）洪水特性机理及规律：①采用Mann-Kendall非参数秩次相关检验法和线性趋势回归分析法对流域洪水趋势分析， 各时段最大暴雨量的变化趋势不显著， 而洪峰流量和不同时段洪水总量普遍呈显著下降趋势；②采用有序聚类分析法、双累积曲线法、Lee-Heghinian 法及非参数pettitt 检验法对区域内实测暴雨洪水资料突变点分析， 流域不同历时暴雨量及次暴雨量的突变点没有明显变化规律， 不同时段洪水总量及洪峰流量的突变点具较明显的规律性，流域的突变点均在1980 年附近：③流域不同时段的最大洪量及次洪总量随年代均呈不规则的减少趋势，且具有随时段的增长减少幅度呈减少趋势；④洪峰滞时随年代变化呈不规则或明显增长趋势，1980年后均值与1980 年前均值比较， 增长幅度均在20.0%以上。