第二松花江流域暴雨洪水演变规律分析

李成林，廖卫红，张苹苹,3，薛志春，黄晓敏

(1. 西藏农牧学院，西藏 林芝 860000；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083；4.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430072)

第二松花江流域是我国重要的老工业基地和粮食主产区，也是洪涝灾害频繁发生的地区[1]。该流域的洪水主要由暴雨形成，随着经济社会快速发展、人口不断增多，导致河道基础信息、土地利用等流域下垫面状况发生了剧烈变化，且流域内还修建了大量水利工程，对暴雨产生的洪水过程也带来了显著影响[2-4]。随着旱涝灾害发生的频次明显加大，已严重威胁到流域经济社会可持续发展和生态安全[5,6]。因此，开展第二松花江流域暴雨洪水变化特征规律的研究，为流域防洪度汛和工程防洪利用提供科学依据，具有重要的理论和现实意义。李峰平[7]利用Mann-Kendall等方法对松花江流域水文气象要素变化特征进行分析，并通过径流对降水和蒸散发的敏感性方法定量地评估了气候变化和人类活动对流域水文水资源的影响；王彦君等[8]用线性趋势分析、累积距平等方法，对松花江流域内4个不同区段1955～2010年径流量序列进行分析，揭示了径流量在各区段呈现不同的规律并定量估算了不同阶段降水和人类活动对径流量的影响程度；于德万等[9]根据第二松花江洪水峰型、洪量和峰现时间等实际数据研究了洪水成因及特征，并提出了相应防洪对策。

本文以第二松花江丰满以上流域为研究对象，通过该流域详实的水文资料，对历史暴雨、历史洪水的特点及暴雨洪水相关关系趋势分析，定性说明了暴雨洪水的演变规律，对流域未来进行洪水预报具有重要参考价值。

1 流域概况

第二松花江流域位于吉林省中南部地区，分布在东经125°18′～128°45′和41°40′～44°05′，该流域集水面积为42 960 km2。第二松花江由二道江和头道江汇流而成[10]。二道江为主源，发源于长白山天池，海拔达2 691 m。第二松花江丰满以上流域图如图1所示，其河系呈叶状，主要支流有辉发河、饮马河、拉法河等。该流域下游与饮马河交汇，进入平原区，河床开阔，而后又与三岔河汇嫩江后进入松花江。该流域位于东亚大陆边缘，属寒温带大陆季风气候区。降水量年内分布不均，且流域降水量南北差异大，南部降水量可比中部高达200～300 mm。流域地势变化显著，高程自东南河向西北递减，因而上下游温差也较大，平均气温由东南向西北呈增加趋势。流域内现有大中型水库10余座，大型水库包括海龙、白山、红石和丰满，小型水库、塘坝等有上千座。土地利用方面，河源地区有部分原始森林；红石、白山水库以上区域森林植被较好，以次生林为主；辉发河和拉法河流域耕地较多。

图1 第二松花江丰满以上流域水系图Fig.1 Map of upstream part to Fengman Reservoir in Second Songhua River basin

2 暴雨和洪水特征

2.1 暴雨特征分析

第二松花江流域暴雨、大暴雨的发生较为普遍，强降雨造成洪水暴发，由于流域的地形地貌及前期连续降雨使地面湿润，为该流域的洪水暴发创造了有利条件，使得雨水迅速汇集形成暴雨洪水。

2.1.1 暴雨特点

暴雨是第二松花江流域的主要灾害性天气过程之一，往往是引起洪涝灾害的直接原因[11]，影响严重的暴雨会给人们的生命财产带来重大损失。由于流域地形变化较大，从上游至下游，地形依次为山地、浅山区和丘陵平原区，因此对于流域不同区段形成大暴雨的成因也是不同的，主要成因包括台风、冷锋、低压和气旋[12]。

第二松花江丰满以上流域的暴雨多发生在7月至8月下旬，且大范围暴雨只出现在7、8月，区域性和大范围大暴雨、特大暴雨出现较少，只出现在6-9月。据统计6-9月发生暴雨次数占全年总数的90%以上。历史上各级各类暴雨均以7月份最多，说明夏季是丰满以上流域全年中降水量最多、最集中的时期。

2.1.2 暴雨年际变化

为了解暴雨趋势特征，对1956-2010共55年的暴雨日数进行区域趋势统计分析，暴雨日数[13]为测站平均每年日雨量大于等于50 mm的累积降雨日数，通过趋势分析得到年暴雨日数距平分布。从图2年暴雨日数距平分布来看，丰满以上流域地区暴雨的年分布差异较大，55年来总体呈上升趋势，上升趋势为0.018 8 d/a。且流域年暴雨日数变化可明显分为几个阶段：其中，1966-1979年基本上都是负距平，1980-2006年以正距平为主，2007年以后均为负距平。因此，暴雨的年际变化特征为：1966-1979年之间暴雨较少，1980-2006年暴雨进入一个比常年偏多且逐渐增多的阶段，2007年之后年暴雨日数有减少的趋势。在20世纪60年代正距平与负距平基本上是持平的，可认为在这段时间中总暴雨日数与常年值相当。

图2 暴雨各年发生次数距平分布图Fig. 2 Anomaly distribution of annual occurrence times of storm

2.2 洪水特征分析

据相关统计，第二松花江流域降水年内集中、年际变化大，是洪灾多发地区，洪灾发生频次在全国七大江河中位于前列。资料统计表明，近百年松花江流域出现了4个较为明显的旱涝周期，旱涝变化趋势与降雨和年径流丰枯变化趋势基本相应。且从地域来看，洪水灾害对社会经济发展影响最大的主要集中在中、下游地区，包括松嫩平原、三江平原及多座中心城市，这些地区经济密集，人口集中，是我国重要的工业基地和粮食产业基地。因此了解洪灾特点，对洪灾做出预测，对于科学指导流域防洪调度及减少流域经济损失具有重大意义[14,15]。以下将从时间空间上对洪水特征进行展开分析。

2.2.1 洪水发生时间及过程

丰满以上流域的洪水由暴雨形成，暴雨的大小和走向决定了洪水的量级和过程形态[16]。大洪水一般发生在6-9月，尤以7、8月为多，且量级较大。丰满实测前9位大洪水均发生在7、8月份，其中7月份2场，8月份7场。丰满入库最大日流量为16 700 m3/s(2010年7月29日)，其次为15 800 m3/s(1995年7月30日)，而发生在6、9月份洪水的量级均不算太大，实测的丰满最大日流量都在5 100 m3/s以下，白山、丰满洪水发生情况详见表1。

表1 白山及丰满洪水发生情况统计Tab.1 Statistics of flood occurrence in Baishan and Fengman reservoir

白山、丰满水库的洪水过程多样，既有单峰型，也有双峰及多峰洪水发生。如1953、1957、1960年洪水为单峰型洪水。单峰型洪水过程一般都是陡涨陡落，一次洪水总历时7～11 d左右。白山洪水涨水历时1～ 2 d，洪峰持续时间3h左右；丰满洪水涨水历时2～ 3 d，洪峰持续时间12 h左右，落水历时5～8 d。由于不同天气系统组合影响，本流域大暴雨有短时期内连续出现的情况，因而在15 d内双峰型洪水也时常发生，从丰满水库实测前9位洪水看，有5场洪水为双峰型，分别为1951、1964、1975、1991、1995年洪水。其中1964、1995年洪水为主峰在前型，1951、1991、1975年洪水为主峰在后型，双峰洪水总历时一般14～19 d，两峰相隔6～8 d。白山、丰满水库双峰洪水特征统计分别见表2、表3。

表2 白山双峰洪水特征表Tab.2 Flood characteristics of Baishan reserviordouble peak

从表2、3可以看出：白山水库双峰型洪水的次峰流量1995年特别突出，大约相当于20年一遇洪水；其他双峰型洪水的次峰流量均在3 500 m3/s以下，仅相当于洪峰均值的水平；而丰满水库双峰型洪水的次峰流量量级都不突出，最大的1991年次峰也仅相当于10年一遇洪水。

表3 丰满双峰洪水特征表Tab.3 Flood characteristics of Fengman reserviordouble peak

注：表中流量为最大日值。

2.2.2 不同时段洪水洪量组成

丰满水库的洪水是由白山以上和白山～丰满区间洪水组合而成。对1951、1953、1957、1960等9年的洪水年份在不同时段(3、7、11、15 d)丰满、白山及白山～丰满区间的洪量以及各区洪量占丰满水库的比例。由资料可知，三个分区的洪量整体趋势随洪水年份的递增而增加，其中，白山洪量与白山～丰满区间洪量分别对丰满洪量比例分布具体见图3。

从图3可以看出：从3 d洪量到15 d洪量以白山～丰满区间为主的洪水居多，如1951、1953、1964、1986、1991年洪水，白山～丰满区间洪量占丰满水库的59.6%～76.1%，均大于区间面积比55.3%，白山以上仅占丰满水库的23.9%～40.4%；以白山以上来水为主的上游型洪水较少，如1960年洪水，白山以上洪量占丰满水库的53.9%～59.2%左右，大于白山面积比44.7%；1995年洪水比较特殊，7 d以内白山～丰满区间略大，白山以上7 d洪量占丰满水库的40%(小于面积比)，而15 d洪量的第二场洪水则主要来自白山以上，白山以上占丰满水库的比例高达65.7%(大于面积比)。因而导致白山1995年11、15 d洪量的量级远远大于其他年份。

图3 丰满水库大水年不同时段洪量组成比例图Fig.3 The proportion of flood composition in different periods of the flood year

综上可知，第二松花江丰满以上流域的洪水多由暴雨形成，且洪量主要集中在白山～丰满区间，其中包括了五道口以上流域的降水总和，为进一步了解该流域洪水形成过程，就暴雨和洪水关系展开深入研究。

3 暴雨洪水关系分析

洪水形成的过程有许多因素的影响，起初经常由气象水文因素，如降雨、蒸发、特殊气候等影响[17,18]，在第二松花江丰满以上流域中暴雨是形成洪水的一个重要因素。但随着社会的发展，人类活动频繁，对流域下垫面产生很大程度的改变，进而影响着洪水过程的发展。因此，在研究暴雨洪水关系中，人类活动的影响不可忽视。

3.1 Mann-Kendall非参数趋势检验法

Mann-Kendall非参数趋势检验法(下简称M-K检验)[19,20]是世界气象组织推荐的非参数检验方法，该检验进行时间序列分析不需要样本服从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，计算比较简单，适合水文、气象等非正态分布数据的检验分析。

对于任意时间序列Y=(Y1,Y2,…,Yn)，先确定所有对偶值(Yk,Yj,j>k)中Yk

(1)

其中

式中：当n大于10时，Z近似服从保准正态分布；Var(τ)为方差；n为序列长度；t为时间序列。

原假设为该序列无趋势，采用双边趋势检验，在给定的置信水平α下，在生态分布表中查得临界值Zα/2，若|Z|≤Zα/2，则原假设成立，说明时间序列无明显变化趋势；且当Z>0时无明显上升趋势，Z<0时无明显下降趋势。反之，原假设不成立。

3.2 洪峰和径流变化分析

根据已有的1956-2006年的雨量站资料和水文站资料，通过M-K检验方法，对丰满水库55年的入库洪量和年降雨量进行趋势分析，结果如图4所示。

图4 丰满以上流域1956-2006年各站平均年降雨及年径流趋势变化图Fig.4 Average annual rainfall and annual runoff trend of each station in upstream part to Fengman reservoir in 1956-2006

由趋势性分析可知，1956-2006年径流kendall检验结果为-2.08，呈现下降趋势，且丰满年径流下降斜率大于各站平均总降雨，因此径流下降趋势比降雨更为明显，可认为除气候因素外，人类活动对径流有一定的影响。

同样的，利用M-K检验方法对丰满水库1956-2006年入库洪峰趋势进行分析，结果如图5，可知，洪峰也有一定下降趋势，可以认为人类活动和水利工程建设对径流和洪水影响明显，人类取用水导致径流减小，大量水利工程特别是中小水利工程对洪水的削峰和拦蓄具有明显的效果。

图5 丰满水库1956-2006年入库洪峰趋势变化图Fig.5 Trend of flood peak in Fengman reservoir in 1956-2006

还可进一步分析得知，丰满水库历史上发生大于12 000 m3/s洪水有1856、1909、1953、1957、1960年，而1953、1957、1960年相距很近并且是逐渐减小可视为在同一周期内。而1856、1909、1953年各相距50年，1960年以后尚未出现大于12 000 m3/s的洪水，故可以认为尚存在50年的中周期。1953年实测洪水为1956年以来最大洪水，分析为100年一遇，即有100年的大周期。由1937-1990年实测资料分析，存在约4年的小周期，1937-1990年54年中出现12个过程期，其中相隔4年的有7个，占58%，出现7年的2个，5、3、2年的各一个。出现大于均值洪水的机遇，连续出现两年的有4次，连续出现3年的有2次，不连续只出现1年的有7次，连续出现最长年的为4年，只有1次。即在25年超均值洪水中不连续和连续2年的占25年的58%，其机遇为77%，在连续2年中，第一年小第二年大的机遇占75%。

3.3 场次洪水趋势分析

为更好的研究暴雨和洪水的相关关系，将丰满以上流域分为3个单元分区进行相关分析，选取3个主要水文站，包括丰满水文站、白山水文站和五道沟水文站作为分区节点，则3个分区为丰满—白山—五道沟区间、五道沟以上、白山以上，根据1953-2010年历史洪水资料对3个分区的场次洪水次降雨量和次洪量趋势分别进行分析，结果如图6、图7、图8所示。

图6 丰满-白山-五道沟区间场次洪水次降雨量和次洪量趋势分析Fig.6 Trend Analysis of sub-rainfall and sub-flood volume in Fengman-Baishan-Wudaogou reservoirinterval

由图6的丰满-白山-五道沟区间场次洪水次降雨量和次洪量趋势图可知，次降雨量的kendall检验结果为1.56，次洪量的kendall检验结果为1.18，两者均呈现上升的趋势，但趋势不明确。因趋势线斜率相近，可知场次洪水次降雨量和次洪量变化趋势较为同步。

图7 五道沟以上流域场次洪水次降雨量和次洪量趋势分析Fig.7 Trend Analysis of sub-rainfall and sub-flood volume in upstream part to Wudaogou reservoirinterval

由图7的五道沟以上流域场次洪水次降雨量和次洪量趋势图可知，次降雨量的kendall检验结果为0.41，次洪量的kendall检验结果为0.26，两者均呈现上升的趋势，但因趋势线斜率相差近2倍，可知五道沟以上流域场次洪水次洪量比次降雨量变化趋势小较多，这与该区兴建水利工程数量较多有关，导致对洪量的影响较大。

图8 白山以上流域场次洪水次降雨量和次洪量趋势分析Fig.8 Trend Analysis of sub-rainfall and sub-flood volume in upstream part to Baishan reservoirinterval

同理，可知白山以上流域的场次洪水次降雨和次洪量趋势情况，次降雨量和次洪量的kendall检验结果分别为0.99和0.80，两者均为上升的趋势，与丰满-白山-五道沟区间状况类似，次降雨量和次洪量变化趋势较为同步，受水利工程影响不大。

综上可知，3个分区场次洪水次降雨量和次洪量都有增大趋势，但趋势都不明确。水利工程等人类活动在影响下垫面条件的同时，也改变了流域的产汇流规律，其中五道沟以上流域洪量变化趋势比降雨量变化趋势小较多，这与该区水利工程建设对洪量影响较大有关，其次是丰满-白山-五道沟区间，白山以上流域由于受水利工程影响不大，因此次降雨量和次洪量趋势较为同步。

4 结 语

根据收集的第二松花江流域相关的水文资料，对流域的历史暴雨、历史洪水变化特征及变化趋势进行深入分析，受下垫面条件变化的影响，使得暴雨洪水两者关系也发生一系列改变。通过对流域降雨洪量洪峰等水文要素的分析，初步可得出以下结论：

(1)在1956-2010年中，历史暴雨量有先减小后增大之后回落的趋势，但该55年中暴雨发生整体呈现上升的趋势。

(2)在1953-2010年中，历史洪水多发生在7、8月份，且不同时段的洪量分布中以白山～丰满区间为主的洪水居多。

(3)由丰满流域次降雨量和次洪趋势变化可知，次洪和暴雨呈同步上升的趋势，但趋势不明确。

(4)白山以上流域和丰满～白山～五道沟区间的次降雨量和次洪量变化趋势较为同步，受水利工程影响不大；而五道沟以上流域的次洪上升趋势比次降雨量变化幅度小较多，这与该流域兴建中小型水利工程数量很多有关，同时也是人类活动导致的结果。

本文通过第二松花江流域对暴雨洪水趋势分析，只能定性的说明兴建水利工程等人类活动对流域洪水演变过程有一定的影响，且对于不同区域以及不同量级的暴雨洪水的影响程度是不同的，为此，今后应该继续对洪水变化进行深入研究，定量分析。并且面对未来人类活动和洪水灾害互相制约、互相影响，如何描述和衡量这种影响，正确合理运用工程措施和非工程措施，避免对洪水的盲目处理带来的反噬效应是未来流域防洪的方向和重点。

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