汦河流域洪水特性分析

劉慶華

（河北省邢臺水文勘測研究中心，河北 邢臺 054000）

受季風氣候影響， 邢臺市尤其是西部太行山迎風區暴雨洪水災害頻發、重發。歷史上“63·8”、“96·8”特大暴雨洪水及近年的2016、2021 年高強度暴雨洪水給當地經濟社會、 人民生命財產帶來巨大危害和損失。同時，邢臺市河系呈典型的扇形分布，河流源短流急，洪水突發性強、 破壞力大， 給洪水預報工作帶來較多困難。隨著經濟社會的迅速發展，防洪減災工作對洪水預報成果精準度要求越來越高， 亟需通過區域的洪水特性分析開展洪水預報關鍵技術研究， 為區域暴雨洪水災害精準防控及風險應對提供有力技術支撐。

1 流域概況

汦河位于邢臺市，源頭有3 個，其北支發源于臨城縣石家欄鄉（嶂石巖山區），河段長34.5 km，流域面積188.99 km2；中支發源于內丘縣獐貘鄉黃岔村，河段長38.9 km，流域面積195.01 km2；南支（賽里川）發源于內丘縣南賽，河段長15.0 km，流域面積27.97 km2。3 支于臨城縣西豎匯合后，經內丘、隆堯，在寧晉縣徐家河村西的關帝廟與午河匯合，至曹臺流入北澧河，河流全長98.0 km，流域面積945.0 km2。區域內有臨城水庫、西臺峪2 處常年監測水文要素的水文站；郝莊、官都、西臺峪3 處河道水位流量監測站，12 處雨量監測站。

2 時空變化分析

2.1 年內變化

流域內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。 據6 個代表站1956—2021 年資料統計， 大于100 mm 以上的暴雨日數大多發生在7、8 兩個月， 占全年暴雨日數80%以上；9月顯著減少，日雨量在50 mm 的一般占10%左右［1］；10 月份暴雨很少出現。汛后期很少出現連續兩天的暴雨，另外還有持續時間短、發生次數少的特點。

2.2 年際變化

流域內暴雨的年際變化是我國暴雨變化最大的地區之一，單站年最大24 h 降雨量的最大值與最小值比值達8～23， 年最大24 h 暴雨的變差系數可達0.6～0.8。3 d 和7 d 暴雨的年際變化更為突出， 有的站一次大暴雨就可能接近本站多年平均降水量，甚至超過多年平均降水量的1～2 倍［2］。

2.3 暴雨空間分布

暴雨的分布與地形有密切的關系。 從長歷時暴雨均值空間分布來講， 總體趨勢沿著流域山脊線從暴雨中心向周圍遞減。 最大1 d 點雨量均值120～85 mm，最大3 d 點雨量均值160～130 mm，最大7 d 點雨量均值200～160 mm， 最大15 d 點雨量均值260～190 mm， 最大30d 點雨量均值320～250 mm，獐貘、趙莊、石家欄一帶為高值區。

3 流域洪水趨勢分析

3.1 Mann-Kendall 非參數秩次相關檢驗法

（1）不同歷時降雨及場次暴雨分析。采用流域建站年份至2021 年的實測暴雨資料，計算其不同歷時暴雨及場次暴雨特征值系列采用Mann-Kendall 非參數秩次相關檢驗法對流域暴雨特征值的變化趨勢進行判斷。經分析計算，流域的不同歷時暴雨及場次暴雨特征值均呈上升趨勢，但變化趨勢不明顯，如表1。

表1 流域暴雨特征秩次相關檢驗成果

（2）日降水量大于50 mm 暴雨日數分析。采用流域建站以來至2021 年的實測暴雨資料，暴雨日數選取日降水量大于50 mm 的天數； 暴雨強度采用年暴雨量與年暴雨日數之比； 暴雨貢獻率采用暴雨量占總降水量的百分比。采用Mann-Kendall 非參數秩次相關檢驗法對流域暴雨日數的變化趨勢進行判斷［4］。經分析計算，流域的不同歷時暴雨日數呈下降趨勢；而7 月暴雨有增加趨勢、8 月暴雨有減少趨勢， 但并不顯著。

3.2 線性趨勢回歸分析法

（1）不同歷時降雨及場次暴雨分析。采用流域典型站實測暴雨洪水資料（1954—2021 年），計算其次暴雨量特征值系列， 采用線性趨勢回歸分析方法對次暴雨特征值的變化趨勢進行判斷。 流域的次暴雨量呈下降趨勢，但并不顯著，如表2。

（2）日降水量大于50 mm 暴雨日數分析。經分析流域內年平均暴雨日數1.53 d， 且存在較大差異。暴雨日數最大值是7 d， 次大值是4 d；7 d 發生年份為1963 年和2021 年，4 d 發生年份為1956、1973 年和2016 年［5］。年暴雨日數線性趨 勢為-0.003/10a,68 年暴雨日數減少0.02 d，如圖1。

圖1 1954—2021 年流域年暴雨日數變化特征

（3）月暴雨日數、暴雨量和暴雨強度。流域暴雨集中出現在7—8 月， 占全年暴雨量的82.6%；6—9月（汛期） 暴雨日數占全年暴雨日數的86.5%［6］；7—8 月不僅是暴雨集中出現時段，而且也是暴雨最強時期，從近68 年的暴雨演變特征分析，在進入21 世紀以來7 月暴雨有增加趨勢，8 月暴雨在減少， 但并不顯著。

4 突變點分析

4.1 有序聚類法［3］

通過流域典型站西臺峪水文站建站以來的實測暴雨資料，計算其次暴雨量特征值系列，采用有序聚類分析方法對次暴雨特征值的變異特征進行分析，西臺峪以上流域次洪水總量序列1994 年有一個明顯跳躍點，如圖2。

圖2 典型代表站西臺峪以上流域次暴雨序列有序聚類跳躍點檢驗

4.2 雙累積曲線法

利用降水量—徑流量雙累積曲線（圖3），對西臺峪以上流域汛期降水量和汛期天然徑流量進行分析計算，點繪該流域雙累積曲線［7］。由圖3 可見，該流域降雨產流雙累積曲線斜率發生變化的年份為1978 年，因此西臺峪流域降雨產流規律發生變化的年份在1978 年。

4.3 Lee-Heghinian 法

利用Lee-Heghinian 法分析時間序列的變異特征，計算比較各時間點所對應的條件概率密度值，洪峰、洪量條件概率密度如圖4，效果直觀，圖4 的峰值或明顯的轉折點就是序列的跳躍點。

圖4 西臺峪洪峰和洪量f(τ)～τ 關系

西臺峪以上流域的f(τ)值有明顯峰值，洪峰和洪量的變異點出現在1963 年， 對照歷史資料，1963 年洪量值為84.96×103m3，洪峰流量為3990 m3/s，為歷年最大值，符合實際變化情況。

4.4 非參數pettitt 檢驗法

采用各典型代表流域建站年份至2021 年的實測暴雨洪水資料，計算洪水特征的時間序列，采用非參數pettitt 檢驗法對流域洪水特征時間序列的突變點進行分析，采取5%顯著水平進行檢驗，如表3。通過檢驗值說明，西臺峪以上流域洪峰和洪量時間序列變異不明顯。

表3 流域洪水特征非參數pettitt 檢驗成果

5 結語

（1）區域內暴雨特點：①年內分配集中。汛期（6—9月）雨量占全年降雨量75%～85%。近68 年流域內7 月份暴雨增多，8 月暴雨減少。2000—2021 年暴雨明顯增多，進入21 世紀暴雨初期提前；②年際變化大。年最大24 h 暴雨變差系數（Cv）達0.6～0.8。單站年最大24 h 暴雨量系列中， 最大年與最小年的比值達8.6～22.4 倍；③暴雨強度大。據點雨量記錄統計，區域60 min 和7 d最大降雨記錄為我國大陸之最。

（2）洪水特性機理及規律：①采用Mann-Kendall非參數秩次相關檢驗法和線性趨勢回歸分析法對流域洪水趨勢分析， 各時段最大暴雨量的變化趨勢不顯著， 而洪峰流量和不同時段洪水總量普遍呈顯著下降趨勢；②采用有序聚類分析法、雙累積曲線法、Lee-Heghinian 法及非參數pettitt 檢驗法對區域內實測暴雨洪水資料突變點分析， 流域不同歷時暴雨量及次暴雨量的突變點沒有明顯變化規律， 不同時段洪水總量及洪峰流量的突變點具較明顯的規律性，流域的突變點均在1980 年附近：③流域不同時段的最大洪量及次洪總量隨年代均呈不規則的減少趨勢，且具有隨時段的增長減少幅度呈減少趨勢；④洪峰滯時隨年代變化呈不規則或明顯增長趨勢，1980年后均值與1980 年前均值比較， 增長幅度均在20.0%以上。