云南省楚雄州区域洪水洪峰流量变化特征研究

武剑 刘秀林

摘要：云南省楚雄州水旱灾害频发且常交替出现，为分析该地区水文特性，以区域内9个基本水文站实测年最大洪峰系列资料为依据，采用水文统计、累积距平、线性倾向分析、Manner-Kendall突变检验、小波分析等方法对其洪水特性进行了研究。结果显示，楚雄州水文特性具有一定的地区性，在气候、地理环境、人类活动等因子共同作用下，基本特征发生变化。各水文站1975年之前洪峰流量多呈上升趋势，1975～2000年变化较为平稳，进入21世纪后呈显著性下降趋势。7个水文站点发生洪峰流量均值变异，元江水系突变年份在1970年代，金沙江水系在2000年后，突变后均值减小。楚雄州区域洪水共同呈现5～7 a尺度的周期性变化特征。另外，从区域极端洪水年际变化规律上来看，楚雄州年极端高洪水超标率呈降低趋势，年极端低洪水超标率呈显著上升趋势。结合均值突变分析表明，2000年后，楚雄州水文年景偏旱，尤其是2009年以来，旱灾成为楚雄州面临的主要自然灾害问题。本研究成果将为楚雄州防汛抗旱提供理论参考。

关键词：水文特性;旱涝灾害;区域极端洪水;趋势分析;突变分析;周期分析;云南省楚雄州

中图法分类号：TV122.5文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.002

文章编号：1006 - 0081（2021）03 - 0011 - 07

云南省楚雄州地处云贵高原西部，滇中高原主体部位，地形复杂，是一个以中高山和低山丘陵为主的地区，山地面积占比90% 以上。境内河流众多，金沙江和元江两大水系以州境中部为分水岭各奔南北形成二水分流之态，地属亚热带亚湿润高原季风气候，年均降雨量700～1 000 mm。因其独特的地形和气候条件，受欧亚大陆干暖气团控制，该地区每年11月至次年4月降雨稀少，仅占年降雨量的10%，而5～10月受热带海洋气团控制的雨季降雨量占比高达90%[1]。因此，楚雄州水旱灾害频发且常常交替出现，众多学者对楚雄州气温、干旱、降雨、干湿变化等特性进行了深入分析。鲁永新[2]基于楚雄州1961～2010年的气温和降雨资料，按全年和四季分析了全州及州内中、西、南部区域的气候演变特征，发现近50 a来气温升高明显，春季年降雨量和大雨降雨日数增加而秋季则相反，雨季呈缩短趋势的特征;何萍等[3-4]运用楚雄州降雨和相对湿度资料，得出了2000年后降水呈上升趋势、干旱发生连续性较强、洪涝灾害偶有发生的分析结果，并为旱涝灾害防治提供对策。华楚恩[5]利用标准化降水指数法分析了楚雄州干旱事件的年际变化规律和空间分布情况，得出旱涝交替出现且1980年后是干旱的集中发生期，其分布具有明显地域性的结论。桑议惠等[6]对楚雄州1961～2010年汛期极端降水时空分布特征进行了分析，发现极端降水总量、日数及强度均存在25 a左右的主震荡周期。

以上针对楚雄州的研究聚焦于气候变化，而较少对其境内水文特性进行分析，缺乏对楚雄州洪水变化规律的探究。基于此，本文收集了楚雄州金沙江、元江两大水系9个空间上具有代表性的水文站点历史洪峰流量资料，探究该区域年最大洪峰流量的时空变化特征，从水文角度完善楚雄州自然情势变化分析工作，并从理论上为楚雄州防汛抗旱工作提供支持与建议。

1 资料情况

云南省楚雄州境内布设有9个基本站，分属金沙江流域7个站点，元江流域2个站点，水系及站点分布如图1所示，站点基本情况见表1。由于区域水文站点随着经济发展逐步布设，所以资料年限不一，部分站点（凤屯、高桥）水文资料年限较短，但资料年限均在30 a以上（38～64 a之间），统计特征具有代表性。为了全面分析区域洪水变化规律，将对各水文站所有年洪峰流量数据进行研究。

从图1和表1可见，楚雄州主要控制站为龙川江的小黄瓜园站和蜻蛉河的多克水文站，控制面积分别为5 560 km2和2 855 km2，紫甸河的凤屯是小河控制站，控制面积186 km2，其余站点控制面积均为500～2 000 km2。从站点所属县气候特征来看，除高桥处于半湿润地区外，其他均在半干旱地区，且大姚、永仁、元谋、牟定是云南省著名的老旱区[5]，位于这4个县的地索、中和街、多克、凤屯和小黄瓜园等站的洪水特征必深受气候条件影响。

2研究方法

本文采用累积距平和线性倾向分析方法对年最大洪峰流量系列、年极端洪水超标率系列进行趋势分析。利用Manner-Kendall非參数检验法（M-K检验）对洪峰流量系列进行突变分析，并结合秩和检验法检验突变点的显著性，确定突变年份。采用复Morlet小波来诊断洪峰流量周期特征[7]。这些均为水文序列分析常用方法，应用广泛，分析成果可靠，可作为楚雄州区域洪水洪峰流量变化特征的分析工具。

3结果分析

3.1 年洪峰流量基本统计特征

对楚雄州9个基本水文站年洪峰多年平均值、洪峰模数、年洪峰最大（小）值及其出现年份、K值以及变差系数Cv等进行统计，见表2。洪峰模数为均值与控制面积比值，反映流域的洪峰流量强度;K值为最大值与平均值比值，反映洪水年际变率;Cv为样本标准差与均值的比值，反映洪水相对离散程度，与极差进行对照分析。

由表2可见，年均洪峰流量大致与控制面积大小成正比，小黄瓜园和多克因其控制面积较大，均值也较高，但控制面积较小的多克站均值高于小黄瓜园站，且从洪峰模数来看，多克是小黄瓜园的两倍，说明蜻蛉河流域雨量更为丰富，单位面积产流量更高。从龙川江上凤屯、楚雄、小黄瓜园这3个控制面积从小到大的站点来看，支流小流域紫甸河洪峰模数更高，说明该地降雨丰富，易发生局地洪水灾害，上游的楚雄大于下游的小黄瓜园，但较为接近，说明控制面积内自然环境差异不大。从洪峰模数来看，金沙江水系站点在0.09～0.29 m3/（s·km2）之间，元江在0.14～0.2 m3/（s·km2）之间，分布规律大致是支流大于干流，上游大于下游。

从年洪峰最大值出现年份来看，均在2000年之前，而最小值出现年份多集中在2010年之后，说明年最大洪峰有减小的趋势，尤其是2011年，中和街、多克、凤屯、小黄瓜园等站均出现最低值。这是因为，2009～2011年楚雄州发生了严重的干旱，2009年达到重旱程度，此后至2011年降雨偏少[8]，使流域内积蓄的水量逐渐减少，至2011年洪峰达到最低。从K值和Cv来看，两者变化基本同步，K值大，Cv也高，全州K值在1.79（高桥）～4.48（董户村）之间，Cv在0.38（高桥）～0.77（董户村）之间，高桥站年际变化最小是因为其位于半湿润地区。整体来看，元江水系的洪峰流量年际变化比金沙江水系大，半干旱地区高于半湿润地区，支流高于干流，上游大于下游，同一气候区内小河高于大河。

表3统计了各站年最大洪峰流量出现月份，除小龙潭站在1984年5月26日出现洪峰外，洪峰多出现在6～10月，其中，7～9月约占统计频次的70%以上。金沙江水系洪峰最高频次出现在7～9月，元江水系为8月，与年降雨量集中在5～10月的气候特征一致。

3.2年洪峰流量趋势性分析

采用累积距平和线性倾向方法对楚雄州各水文站年洪峰流量进行趋势分析，为便于比较，横坐标年份均取统一范围，见图2。从图2可见，20世纪50年代以来，楚雄州的实测年最大洪峰流量年际变化极不稳定，且洪峰呈下降趋势，2000年之后尤为明显。其中，地索、多克和董户村通过了0.05的信度检验，呈显著下降趋势，这与2000年之后年降雨量、汛期极端降雨量呈上升趋势的研究成果[4-6]不符，最大可能原因是21世纪以来人类活动增强，下垫面因子发生变化所致。

从累积距平曲线来看，1975年之前，楚雄州地区洪峰流量多呈上升趋势，1975～2000年变化较为平稳，2000～2016年呈显著下降趋势。位于龙川江的楚雄和小黄瓜园年际变化特征一致性高，位于星宿江的董户村从1975年以来洪峰流量稳步下降，这些均是气候、地理环境、人类活动等共同影响的结果。

3.3年洪峰流量突变分析

对楚雄州各水文站年洪峰流量系列进行M-K检验，限于篇幅，这里主要分析控制面积最大的两个站点，即小黄瓜园站和多克水文站，如图3，4所示。

小黄瓜园站UF值在整个研究时段均处于小于0的状态，说明在整个时段内年最大洪峰流量呈减少趋势，但未突破α=0.05临界线。在临界线内，UF和UB存在多个交点，1956，1958，1960，1967，1971，1997年和2003年，因此应用秩和检验法检验突变点的显著性，发现2003年是序列的突变点，如图4所示。2003年之后，系列均值有了明显降低，表明小黄瓜园站年最大洪峰流量从2003年之后发生由多到少的突变。同样，对多克水文站进行M-K检验和突变显著性检验，发现2001年是序列的突变点。2001年之前，多克UF值在0上下波动，趋势性不明显，2001年之后呈现由多到少的突变，2010年之后其下降趋势显著。

将楚雄州9个水文站的年洪峰流量突变点信息统计于表4。由表4可见，金沙江水系突变年份出现在2000年之后，元江水系的突变年份出现在1971年和1976年，突变后均值均显著减小，表明楚雄州近些年较历史水量偏少。中和街和高桥年洪峰流量系列未发生突变。

3.4 年洪峰流量周期诊断

应用复Morlet小波分析对楚雄州水文站年洪峰流量进行周期分析，限于篇幅，这里仅展示控制面积最大的两个站点，即小黄瓜园站和多克站，见图5。

由图5可见，小黄瓜园站年洪峰流量存在4个较为明显的峰值，分别对应着4，6，15，26 a的时间尺度，其中最大峰值对应于26 a的时间尺度，说明26 a的周期震荡最强，是小黄瓜园站年最大洪峰流量的第一主周期。从图5（a）可见，该尺度对应着3个偏多期和4个偏少期，15 a尺度是小黄瓜园的第二主周期，该尺度在2000年之前表现较为显著，4 a和6 a尺度震荡不明显。这4个尺度共同控制着小黄瓜园站年最大洪峰流量的变化特征。

多克站同样存在4个峰值，分别为6，10，15，28 a的时间尺度，15 a是其第一主周期，主要控制着1990年之前的洪峰流量变化，6 a尺度是第二主周期，在整个时段表现都较显著，10 a和28 a尺度能量较弱，分别是第三和第四主周期。

将楚雄州9个水文站的年洪峰流量周期信息統计于表5。5～7 a尺度是楚雄州各水系的第二或第三主周期，表明在区域尺度上流量变化的一致性。在制定楚雄州洪水防汛方案时应关注该周期性变化。此外，楚雄站和小黄瓜园站是龙川江上上下游两个主要控制站点，其年洪峰流量主周期相近。

3.5 区域极端洪水分析

极端高洪水是造成楚雄州洪水灾害的主要原因，极端低洪水是楚雄州旱灾的直观体现，这两类极端洪水均会对楚雄州社会、经济、自然环境等造成巨大损失。本文采用年极端洪水超标率来反映区域极端洪水，年极端洪水超标率指的是年最大洪峰流量高于（低于）系列均值与标准差的和（差）的水文站数占区域内水文站总数的比率[9]。同样采用累积距平和线性倾向方法对楚雄州区域极端洪水进行趋势分析，考虑到1967年之后楚雄州已建设有7个基本水文站，故分析时段为1967～2016年，见图6。

从图6可见，1968，1969，1974，1986，1990年和1999年全州超过50%的水文站监测到极端高洪水，相应区域发生洪水灾害。20世纪70年代前后，楚雄州洪水灾害发生概率保持在较高水平，2000年以后洪水超标率呈降低趋势，相应地2008年后极端低洪水超标率显著上升，2009～2015年楚雄州大部分地区处于干旱状态，年极端低洪水超标率多在40%以上。整个研究时段，楚雄州极端高洪水超标率呈降低趋势，年极端低洪水超标率呈显著上升趋势（通过了0.01水平信度检验），表明旱灾是楚雄州近年来面临的主要自然灾害。

4结 论

本文针对旱涝灾害频发的云南省楚雄州区域主要河流年最大洪峰流量历史系列进行了分析，从基本统计特征、趋势、突变和周期性4个角度揭示楚雄州区域洪水洪峰流量时空变化特征，并进一步研究了楚雄州极端洪水发展规律，得出以下结论。

（1）在基本统计特征上，金沙江水系站点洪峰模数在0.09～0.29 m3/（s·km2）之間，元江水系在0.14～0.20 m3/（s·km2）之间，分布规律大致是支流大于干流，上游大于下游。年洪峰流量最大值均出现在2000年之前，因2009～2011年的干旱事件，最小值集中在2010年之后。年际变化上呈现元江水系高于金沙江水系、半干旱地区高于半湿润地区、支流高于干流、上游高于下游、同一气候区内小河高于大河的特征。金沙江水系年最大洪峰流量出现月份集中在7～9月，元江水系集中在8月。

（2）在趋势性分析上，在区域气候、地理环境、人类活动等共同作用下，楚雄州地区1975年之前洪峰流量多呈上升趋势，1975～2000年变化较为平稳，2000～2016年呈显著性下降趋势。在突变分析上，金沙江水系的突变年份出现在2000年之后，元江水系出现在20世纪70年代，突变后洪峰流量均值显著减小，表明雄州近些年较历史水量偏少。在周期分析上，5～7 a尺度是楚雄州各水系的第二或第三主周期，在制定洪水防汛方案时应关注该周期性变化。

（3）从楚雄州区域极端洪水年际变化规律来看，年极端高洪水超标率呈降低趋势，年极端低洪水超标率呈显著上升趋势，且2009～2015年楚雄州年极端低洪水超标率多在40%以上，大部分地区处于干旱状态，旱灾是楚雄州近些年面临的主要自然灾害。

参考文献：

[1] 郭孟贤. 楚雄州年鉴（2011年）[M]. 昆明：云南科技出版社， 2011.

[2] 鲁永新.  楚雄州近50年气温和降雨变化的特征分析[J].  楚雄师范学院学报， 2013 （9）： 58-63.

[3] 何萍， 李宏波， 王树超.  云南高原楚雄市干湿度变化分析[J].  楚雄师范学院学报， 2010 （9）：61-69.

[4] 何萍， 李矜霄， 许国琴，等.  云南高原楚雄市降水分布与旱涝灾害分析[J].  地球与环境， 2014，42（2）： 162-167.

[5] 华楚恩.  楚雄州干旱事件时空变化特性分析[C] // 云南省水利学会2016年度学术年会论文集.  昆明：云南省水利学会，2016.

[6] 桑议惠， 郝璐， 闫鸣， 等.  楚雄州汛期极端降水时空分布特征[J].  西南师范大学学报：自然科学版， 2017（42）： 120-126.

[7] 张应华， 宋献方.  水文气象序列趋势分析与变异诊断的方法及其对比[J].  干旱区地理， 2015， 38（4）：652-665.

[8] 贾春强， 荣艳淑.  基于SPI的云南楚雄市历史干旱分析[C] // 中国水文科技新发展——2012中国水文学术讨论会论文集.  北京：中国水利学会水文专业委员会，2012.

[9] 毛炜峄， 樊静， 沈永平，等.  近50a来新疆区域与天山典型流域极端洪水变化特征及其对气候变化的响应[J].  冰川冻土， 2012， 34（5）：1037-1046.

（编辑：李 慧）