朱龍輝，黎良輝，韓會(huì)明，胡 閩

(1.南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031；2.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029；3.江西省鄱陽(yáng)湖水利樞紐建設(shè)辦公室，江西 南昌 330046)

據(jù)2018年中國(guó)水旱災(zāi)害公報(bào)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)31省(自治區(qū)、直轄市)總共5 576.55萬(wàn)人口遭受洪水災(zāi)害，直接造成的國(guó)家經(jīng)濟(jì)損失占當(dāng)年GDP總量的0.18%，高達(dá)1 615.47億元。其中，江西省有195.29萬(wàn)人口被洪災(zāi)影響，大約29.87億元的經(jīng)濟(jì)受到損失。洪水預(yù)報(bào)技術(shù)作為應(yīng)對(duì)洪水事件最有效的手段之一，受到越來(lái)越多的青賴。通過(guò)對(duì)山區(qū)流域歷年的水文氣象要素規(guī)律科學(xué)分析，深入探究大氣系統(tǒng)中氣溫及降雨因子對(duì)水文過(guò)程的影響機(jī)制，并結(jié)合水文模型預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的洪水變化過(guò)程[1-2]，是山區(qū)洪水預(yù)報(bào)工作中十分關(guān)鍵的技術(shù)。

針對(duì)江西省流域洪水災(zāi)害影響機(jī)制和防御措施，目前國(guó)內(nèi)對(duì)此做過(guò)一些研究。韓會(huì)明等[3]利用累積距平法、滑動(dòng)t檢驗(yàn)和小波分析等方法分析贛江流域長(zhǎng)系列降雨情況，得到了贛江流域的時(shí)空分布特征；劉靜楠等[4]運(yùn)用負(fù)輪理論對(duì)江西贛江流域徑流量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該流域年內(nèi)月水文現(xiàn)象分布具有周期性規(guī)律。丁志雄等[5]基于洪澇仿真模型對(duì)撫州市唱?jiǎng)P堤潰堤洪水過(guò)程進(jìn)行了反演分析，模擬結(jié)果較為理想，對(duì)開(kāi)展防洪減災(zāi)工作有重要意義；付佳偉等[6]結(jié)合暴雨因素、氣象因素和地形因素，對(duì)江西省中小河流的洪水特征進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)洪水以局部性為主，洪水在5月～6月份多數(shù)呈現(xiàn)多峰特征，在7月～9月份一般呈現(xiàn)單峰特征；王嬌等[7]在江西省中小河流無(wú)資料地區(qū)，通過(guò)將新安江模型與分布式地貌單位線模型結(jié)合，得到了一套適用的洪水預(yù)報(bào)方案；朱漢華[8]為探究九江地區(qū)以往影響洪水發(fā)生的因素，通過(guò)歷年警戒水位變化對(duì)比分析，深入剖析了當(dāng)?shù)睾樗谒姆矫娴奶厥庑裕粎蜗Ｏ５萚9]基于隨機(jī)森林模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)安義縣洪水敏感因子進(jìn)行評(píng)估，并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。

顯然，對(duì)于江西省尤其是山區(qū)河流地區(qū)的洪水災(zāi)害研究還不夠，而運(yùn)用HEC-HMS模型在該類地區(qū)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)的相關(guān)研究更鮮有發(fā)現(xiàn)。因此，本文基于HEC-HMS模型，同時(shí)結(jié)合水文氣象特征相關(guān)分析，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)研究。研究成果可為山區(qū)地區(qū)洪水預(yù)報(bào)預(yù)警工作提供技術(shù)手段，同時(shí)也可豐富江西省洪水預(yù)報(bào)研究的理論成果。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

南潦河流域隸屬于江西省西北部的宜春市，發(fā)源于宜豐縣北面的九嶺山脈南側(cè)，屬于潦河一級(jí)干流。流域內(nèi)亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候明顯，雨量充沛。降雨量“西多東少”，干濕分層明顯。流域內(nèi)氣溫相差不大，年均氣溫約17.6 ℃。該山區(qū)易發(fā)生洪災(zāi)，尤其在汛期期間更嚴(yán)重。暴雨洪水頻繁，往往一峰接一峰，并伴有泥石柴木下泄的險(xiǎn)象，洪水持續(xù)1～2 d，洪峰停留時(shí)間0.5 h左右。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究主要借助江西省氣象信息中心提供的1個(gè)國(guó)家氣象站逐月降雨量數(shù)據(jù)和逐月氣溫?cái)?shù)據(jù)，宜春市水文局提供的1個(gè)水文站和5個(gè)雨量站的實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)完整性較高，質(zhì)量得到嚴(yán)格控制，對(duì)個(gè)別缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插補(bǔ)。

1.3 研究方法

1.3.1 Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)法

M-K檢驗(yàn)法可運(yùn)用于識(shí)別水文氣象序列趨勢(shì)變化規(guī)律，是一種非參數(shù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[10-11]，更加適用于非正態(tài)分布數(shù)據(jù)樣本分析。設(shè)一組長(zhǎng)度為n的時(shí)間系列Dk(t1，t2，t3，…，tn)，構(gòu)造一個(gè)秩序列

(1)

(2)

定義統(tǒng)計(jì)量

(3)

UF表示按照時(shí)間序列順序計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布序列，UB是UF的逆序列。

1.3.2 滑動(dòng)t檢驗(yàn)

定義統(tǒng)計(jì)量

(4)

(5)

式中，t服從自由度為n1+n2-2的分布。一般顯著性水平取0.05。

1.3.3 小波分析法

小波分析通過(guò)利用函數(shù)在時(shí)頻上的局部化特征來(lái)揭示序列信號(hào)多層次的變化規(guī)律，廣泛應(yīng)用于水文時(shí)間尺度分析、水文預(yù)報(bào)和隨機(jī)模擬方面[12-13]。表達(dá)式如下

(6)

式中，ψ(t)為基小波，伸縮平移后形成以下關(guān)系式

(7)

式中，ψa，b(t)為子小波；a為尺度因子；b為時(shí)間因子。

1.3.4 HEC-HMS模型

HEC-HMS是一款用于模擬人工或者自然狀態(tài)下流域降雨徑-流過(guò)程的水文模型[14-15]，主要功能是用于洪水預(yù)報(bào)計(jì)算，由流域、氣象、時(shí)間和控制等4個(gè)模塊組成，可運(yùn)用不同方法組合對(duì)洪水發(fā)生過(guò)程進(jìn)行不同情景分析。通過(guò)HEC-GeoHMS組件將研究區(qū)概化成16個(gè)匯水小流域，見(jiàn)圖1。

圖1 流域模型概化

2 結(jié)果與分析

2.1 年內(nèi)變化特征分析

通過(guò)統(tǒng)計(jì)流域內(nèi)站點(diǎn)1960年～2018年多年月均降雨量和多年月均氣溫，分別得到對(duì)應(yīng)的年內(nèi)分布特征(見(jiàn)圖2和圖3)：流域降雨的年內(nèi)分配極不均勻。流域多年年均降雨1 669.9 mm，6月、12月分別是全年降雨最多和最少的月份，對(duì)應(yīng)降雨量值為307.8、47.1 mm，分別占全年降雨總量的18.4%和2.8%。汛期(4月～9月)降雨集中，占全年降雨總量的69.2%，而主汛期(4月～6月)降雨量更是高達(dá)789.2 mm，占全年降雨總量的47.3%。全年降雨總體上呈現(xiàn)“春夏多、秋冬少”的特征，降雨過(guò)度集中，是導(dǎo)致流域內(nèi)洪水事件頻發(fā)的最主要原因。流域降雨年內(nèi)分布呈單峰特征，峰值出現(xiàn)在夏季，所以夏季常易發(fā)生由暴雨因素造成的洪水災(zāi)害。導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因是流域內(nèi)屬于季風(fēng)性氣候，受海陸熱力性質(zhì)差異影響，4月初季風(fēng)開(kāi)始盛行，降雨持續(xù)增加；5月至6月，冷暖空氣遭遇并形成大量降雨；之后由于副熱帶高壓壓氣團(tuán)繼續(xù)南下且強(qiáng)度減弱，降雨也隨之減少。流域年內(nèi)氣溫分布在也是呈現(xiàn)單峰特征，氣溫最高是7月，其平均氣溫約為29.1 ℃。1月溫度最低，其平均氣溫只有5.2 ℃；6月～8月平均溫度達(dá)到27.7 ℃，是連續(xù)3個(gè)月中溫度最高的月份；以之相對(duì)應(yīng)的是12月～2月，氣溫最低，均溫只有6.5 ℃，兩者相差23.9 ℃，可見(jiàn)氣溫在年內(nèi)變化幅度相當(dāng)大。

圖2 多年月均降雨分布

圖3 多年月均氣溫分布

2.2 年際變化特征分析

線性回歸和5 a滑動(dòng)平均檢驗(yàn)結(jié)果如下圖4和圖5所示。流域多年降雨量在1 163.7～2 263.5 mm之間來(lái)回波動(dòng)，均值為1 941.4 mm，降雨量最多和最少的年份分別是1975年、2011年，兩者相差1 099.8 mm。由線性回歸線可以看出，該流域降雨量以36.9 mm/10 a的速率在波動(dòng)中增加。在流域多年降雨變化中，降雨量存在3個(gè)較為明顯的周期變化。1960年～1964年降雨量呈下降趨勢(shì)，隨后1964年～1975年間迅速上升，并于1975年達(dá)到歷史最高點(diǎn)，1975年～1979年，降雨急劇下降，1979年～1998年降雨在波動(dòng)中呈穩(wěn)定上升趨勢(shì)，1998年～2011年呈下降趨勢(shì)，并于2011年達(dá)到最低點(diǎn)，2011年～2015年呈上升趨勢(shì)。流域多年年均氣溫范圍在16.5～18.8 ℃，年均氣溫是17.6 ℃，氣溫最高的年份有2017年和2018年，最低的年份是1984年，兩者相差了2.3 ℃。流域氣溫以0.24 ℃/10 a的速率在波動(dòng)中上升，并且1996年后速率略微加快。流域多年平均氣溫有2個(gè)較為明顯的周期變化。1960年～1976年、2007年～2012年間氣溫呈下降趨勢(shì)，其中1976年～1993年間屬于氣溫來(lái)回波動(dòng)時(shí)期，并于1984年達(dá)到歷史最低點(diǎn)；1993年～2007年、2012年～2018年間氣溫持續(xù)波動(dòng)上升，并分別于2007年、2018年達(dá)到歷史最高點(diǎn)。

圖4 降雨量年際變化趨勢(shì)

圖5 氣溫年際變化趨勢(shì)

綜合分析表明，南潦河流域在過(guò)去的59 a，降雨及氣溫整體上都呈上升趨勢(shì)，氣溫越高，水分蒸散發(fā)越快，地面暖濕氣流與高空冷氣流越容易發(fā)生強(qiáng)對(duì)流碰撞；因此，發(fā)生由短歷時(shí)大暴雨導(dǎo)致洪水現(xiàn)象的可能性會(huì)增加。

2.3 突變分析

結(jié)合M-K檢驗(yàn)等3種突變分析方法對(duì)南潦河流域降雨和氣溫進(jìn)行突變分析，研究結(jié)果見(jiàn)圖6～11。綜合分析表明：年降雨量分別在1977年、1990年和2011年內(nèi)出現(xiàn)過(guò)3次較明顯突變。1977年降雨進(jìn)行了降雨由多到少的突變，1990年和2011年降雨則都進(jìn)行了由少到多的突變；年氣溫突變年份為2011年，2011年以前氣溫下降趨勢(shì)明顯，2011年以后氣溫迅速上升，進(jìn)行了由下降到上升的突變，其余年份突變不夠明顯。

圖6 降雨量累積距平

圖7 氣溫累計(jì)距平曲線

圖8 降雨量滑動(dòng)t檢驗(yàn)

圖9 氣溫滑動(dòng)t檢驗(yàn)

圖10 降雨量M-K檢驗(yàn)

圖11 氣溫M-K檢驗(yàn)

2.4 周期分析

小波分析結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，年降雨量存在多種時(shí)間尺度周期變化特征：3～5 a、5～14 a和29～42 a。其中，29～42 a的降雨量時(shí)間尺度振蕩交替明顯，可視作第一主周期；3～5 a尺度振蕩周期存在于整個(gè)時(shí)期，并于1987年～1997年間有向弱周期演變的趨勢(shì)；5～14 a尺度在整個(gè)研究時(shí)期狀態(tài)維持不太穩(wěn)定，并在1968年～1993年間有向10～25 a尺度發(fā)展的趨勢(shì)；結(jié)合圖13，圖中出現(xiàn)了3個(gè)峰值，最大峰值對(duì)應(yīng)3 a尺度，其余還有出現(xiàn)在4、12 a的小峰值。由此推斷，南潦河流域年降雨量的主周期為35 a，并伴有多個(gè)次周期。根據(jù)圖14得知，多年平均氣溫只存在39～46 a時(shí)間尺度周期變化特征。在39～46 a間氣溫顏色交替變化明顯，氣溫經(jīng)歷了“升高-降低-升高-降低”的變化期；再結(jié)合圖15，圖中只出現(xiàn)了1個(gè)峰值，峰值對(duì)應(yīng)著44 a尺度。顯而易見(jiàn)，南潦河流域年氣溫的主周期為44 a。

圖12 降雨量小波系數(shù)實(shí)部等值線

圖13 降雨量小波方差

圖14 氣溫小波系數(shù)實(shí)部等值線

圖15 氣溫小波方差

3 HEC-HMS模型的洪水過(guò)程模擬結(jié)果

本文對(duì)3場(chǎng)驗(yàn)證期洪水過(guò)程模擬結(jié)果進(jìn)行展示，如下圖16所示。

本次研究通過(guò)對(duì)流域率定期8場(chǎng)洪水過(guò)程模擬和驗(yàn)證期3場(chǎng)洪水過(guò)程驗(yàn)證，根據(jù)GB/T 22482—2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》[16]要求，選取洪峰流量、徑流深、峰現(xiàn)時(shí)差、確定性系數(shù)等4個(gè)指標(biāo)，對(duì)模型模擬精度進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，模型模擬結(jié)果見(jiàn)下表1所示。

由表1可知，在率定期內(nèi)從洪峰流量的預(yù)報(bào)結(jié)果評(píng)價(jià)，只有2000年洪峰流量的相對(duì)誤差超過(guò)了20%，其余7場(chǎng)次的相對(duì)誤差均在20%以內(nèi)，合格率是87.5%，達(dá)到了甲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；從徑流深的預(yù)報(bào)結(jié)果來(lái)看，率定期8場(chǎng)洪水預(yù)報(bào)誤差全部小于20%，也屬于甲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；從峰現(xiàn)時(shí)差的預(yù)報(bào)結(jié)果來(lái)看，率定期內(nèi)所有場(chǎng)次模擬時(shí)差均在±3 h以內(nèi)，合格率高達(dá)100%，是4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中模擬度最高的；從確定性系數(shù)來(lái)看，除了2006年份模擬效果不太好，DC值只有0.329，其余年份均達(dá)到合格水平，合格率為75%，達(dá)到甲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。驗(yàn)證期內(nèi)無(wú)論從洪峰流量相對(duì)誤差、峰現(xiàn)時(shí)差，還是從徑流深相對(duì)誤差、確定性系數(shù)來(lái)看，模型預(yù)報(bào)的3場(chǎng)洪水過(guò)程效果都不錯(cuò)，均達(dá)到了合格水平，同時(shí)也說(shuō)明參數(shù)率定效果較好。本次HEC-HMS模型模擬的11場(chǎng)次洪水中有9場(chǎng)洪水模擬結(jié)果評(píng)定合格，每場(chǎng)洪水過(guò)程線模擬與實(shí)測(cè)兩者大致擬合，合格率達(dá)到了81.8%，評(píng)定為乙級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 HEC-HMS模型模擬結(jié)果

4 結(jié) 論

本文依托于南潦河流域1960年～2018年的降雨氣溫等數(shù)據(jù)，探究了該區(qū)域的水文氣象要素演變規(guī)律，構(gòu)建了一套基于HEC-HMS模型的適用于當(dāng)?shù)氐暮樗A(yù)報(bào)方案，可為南潦河流域的洪水預(yù)報(bào)工作充當(dāng)參考依據(jù)。主要研究成果如下：

(1)南潦河流域4月～6月份降雨量占全年總降雨量的47.3%，是年內(nèi)降雨最集中的月份。年降雨總量呈現(xiàn)出以36.9 mm/10 a速率上升的態(tài)勢(shì)；但在1977年發(fā)生了降雨減少突變，1990年和2011年發(fā)生了降雨增加突變。降雨主周期是35 a，同時(shí)伴隨4、12 a的次周期。流域內(nèi)多年平均氣溫為17.6 ℃，氣溫以0.24 ℃/10 a的速率逐漸上升，并于2011年發(fā)生過(guò)氣溫上升突變，氣溫主周期為44 a，不存在其他次周期。

(2)通過(guò)建立基于HEC-HMS的洪水預(yù)報(bào)模型，選擇對(duì)流域內(nèi)8場(chǎng)率定期洪水和3場(chǎng)驗(yàn)證期洪水過(guò)程模擬并進(jìn)行精度評(píng)定。綜合結(jié)果表明，整個(gè)模擬場(chǎng)次中徑流深模擬最好，其合格率為100%；峰現(xiàn)時(shí)間、洪峰流量以及確定性系數(shù)DC次之，但每項(xiàng)指標(biāo)合格率均達(dá)到了91%。整體模擬合格率為81.8%，結(jié)果較好，達(dá)到了乙級(jí)預(yù)報(bào)精度標(biāo)準(zhǔn)，可用作正式預(yù)報(bào)。