变化环境下宣恩城区洪水变异及其成因分析
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收稿日期：2014-08-15 修回日期：2015-01-28 网络出版时间：2015-07-23
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基金项目：国家自然科学基金资助项目（51190094;50979075;51179131）;广东省水利科技创新项目成果（2011-01）
作者简介：李庆平（1963-），女，湖北恩施人，高级工程师，主要从事水文预报与水资源分析研究工作。E-mail：
通讯作者：李彬彬（1987-），男，湖北潜江人，博士研究生，主要从事变化环境下的水文水资源研究。E-mail：
武汉 430072;3.水资源安全保障湖北省协同创新中心，武汉 430072;4湖北省水文水资源局，武汉 430072）
摘要：作为调蓄城市洪水的主要工程手段，城市上游水库和城市河道整治工程在保护沿岸居民不受侵害的同时，也改变了天然河道洪水槽蓄关系，再加上气候变化的影响，导致城市洪水的形成、演变及时空分布规律发生了变异。利用水文变异诊断系统和谢才-曼宁公式，分析了宣恩城区变化环境下洪水的变异形式、程度及其成因。结果发现：1956年-2010年面平均年最大月雨量序列在1998年发生了跳跃向下的中变异，说明气候变化影响下降雨呈减少趋势;宣恩站实测年最大日流量序列在1999年发生了跳跃向下的中变异，其洪峰流量呈减少趋势;流域洪水变异是气候变化和人类活动双重影响的结果，但前者影响仅为后者的41%;渠化改造导致宣恩站洪水流量减少，加剧了洪水变异，因此其防洪预警预案需要适应环境变化而进行调整。
关键词：变异诊断系统;变化环境;洪水变异;宣恩;变异点;谢才-曼宁公式;变异分级
中图分类号：TV87 文献标志码：A 文章编号：
1672-1683（2015）04-0630-05
Flood variation and its cause analysis of Xuanen district under changing environment
LI Qing-ping1，LI Bin-bin2，3，XIANG Yan-qing4，XIE Ping2，3
（1.Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Enshi，Enshi 445000，China;2.State Key Laboratory of Water
Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China;3.Hubei Provincial
Collaborative Innovation Center for Water Resources Security，Wuhan 430072，China;4.Hydrology and
Water Resources Bureau of Hubei Provinc，Wuhan 430072，China ）
Abstract：As themain engineering means of controlling urban flood，river and upstream reservoir regulations which protect people against flood disasters can change river channel storage and lead to the variations of the formation，evolution，and spatial and temporal distribution of urban flood due to climate change.In this study，hydrological variation diagnosis system and the formula of Chézy-manning were used to determine the flood variation form，degree，and causes of Xuanen district under the changing environment.The results showed that （1） the average annual maximum monthly rainfall series from 1956 to 2010 have a moderate variation with downward jump in 1998，which indicates that rainfall decreases under the changing environment;（2） the annual maximum daily flow series from 1962 to 2013 have a moderate variation with downward jump in 1999，which indicates that peak flow decreases;（3） The dual effects of climate change and human activities cause the flood variation，but the former effects are only 41% of the latter;and （4） river canalization results in the decreasing of the flood flow and exacerbation of flood variation，therefore the flood warning plan needs to adapt to the changing environment.
在综合诊断部分，根据详细诊断结果对趋势诊断结论进行趋势综合，对跳跃诊断结论进行跳跃综合;根据效率系数评价水文序列与趋势成分或跳跃成分的拟合程度，以效率系数较大者作为变异形式判断的结果。
最后结合实际水文调查分析，对变异形式和结论进行确认，从而得到最可能的变异诊断结果。
2.2.2 谢才-曼宁公式
根据水力学中的谢才-曼宁公式，宣恩城区河道的洪水流量可用下式表示[14]：
Q=1nωR2/3I1/2（1）
式中：Q为流量（m3/s）;ω为过水断面面积（m2）;R为水力半径/近似为水深（m）;n为糙率;I为水面比降。
3 变化环境下的洪水序列变异诊断分析
采用水文变异诊断系统，对宣恩（二）水文站1962年-2013年的实测年最大流量序列、1956年-2010年面平均年最大月雨量（由咸丰站、晓关站、宣恩（二）站、龙坪站、洗草坝站和桐子营站的最大月雨量算术平均求得）进行诊断。在第一信度水平α=0.05、第二信度水平β=0.01的条件下，其变异诊断结果见表1。
注：表格中“+”表示跳跃或趋势显著;“-”表示跳跃或趋势不显著;0表示不能进行显著性检验;“”表示下降。
从表1的诊断结果可以看出，宣恩（二）站年最大流量序列的Hurst系数值h =0.749，第一、第二Hurst系数值置信限hα=0.676，hβ=0.720，h>hβ，初步诊断其为中变异，不满足一致性的要求。从详细诊断可以发现，宣恩（二）站年最大流量序列跳跃和趋势皆显著;进一步进行综合诊断，通过跳跃综合和趋势综合，选取效率系数最大者（跳跃22.82%）为最终的变异形式。诊断结果为宣恩（二）站年最大流量序列在1999年发生了跳跃向下的中变异，其跳跃变化见图1。流量序列均值从跳跃前的988.45 m3/s下降至跳跃后的462.00 m3/s，绝对减少量为536.45 m3/s，相对减少53.26%。
面平均年最大月雨量序列的Hurst系数值h=0.759，第一、第二Hurst系数值置信限hα=0.676，hβ=0.720，h>hβ，初步诊断其为中变异，不满足一致性的要求。从详细诊断可以发现，面平均年最大月雨量序列跳跃显著，而趋势不显著;进一步进行综合诊断，其跳跃综合，诊断结果为面平均年最大月雨量序列在1998年发生了跳跃向下的中变异，其跳跃变化见图2。降水序列均值从跳跃前的331.45 mm下降至跳跃后的259.57 mm，绝对减少量为71.88 mm，相对减少21.68%。
4 渠化工程影响下河道水文特性变化分析
河道整治，岸坡渠化，人为改变了天然岸坡质地和形态，必然引起河流水力特性的改变，进而引起河道水文特性的变化。以下将分析影响河道水位流量关系的主要因素，如过水断面面积和反映阻力大小的糙率，并结合谢才-曼宁公式[14]对宣恩站年最大流量序列变异情势进行分析。
4.1 河段断面变化分析
位于城区的宣恩水文站始建于1958年5月，距龙洞水库下游1.5 km，为国家基本水文站。该站多年水位流量关系为单一曲线，反映该河段控制条件较好，断面稳定。本文选取宣恩水文站河道渠化前的1990年和渠化后的2013年的测流断面资料作对比分析（图3），从断面形状上看，渠化前后发生了较大变化。
从渠化前后断面水位面积关系（图4）可以看出，同水位下断面面积渠化后比渠化前有所减少，经计算断面面积相对值平均减少了37.3%，具体计算结果见表2。可以看出，水位越高（越靠近岸边），渠化前后面积相差越大，但面积减少相对值反而下降。
4.2 河段糙率影响分析
河道整治工程对河段两岸采用浆砌块石护坡，局部裁弯取直，使原天然河道的河流形态和自然岸坡硬化、渠化。通过对宣恩水文站实测流量资料分析可知，河道渠化前后糙率形成了明显的两个分布带，且糙率减小，导致渠化后流速增大。具体如下：河道渠化前（1990年），糙率均值为0.033，点据分布在0.027～0.042之间;渠化后（2013年）糙率（n）与宽深比（B/h）的关系总趋势不变，但均值减少为0.029，点据分布在0.025～0.035之间（图5）。
从图6中还可以看出，渠化前后糙率变化最大点在宽深比较小（远离岸边）的区域，由0.045减至0.03左右，减小幅度约为50%;随着宽深比增大（靠近岸边），糙率变化逐渐减小，在宽深比大于50以后，糙率变化趋于稳定，由0.03减至0.025左右，减小幅度约为20%。
4.3 河段洪水流量变化分析
渠化后，忠建河城区段天然河道已改造成两岸近乎平行、较为规则的渠道，河道渠化前后河流的走向基本保持不变，所以可以认为渠化前后水面比降变化不大。同一水位下，由图4可以看出河床基面有小幅抬升不超过0.5 m，与洪水至少5 m水深相比相差较大，也可认为变化可以忽略。由表2可以看出，当洪水水位达到495.0 m以后，过水断面面积相对减少25%～28%;由图6可以看出，当达到一定的洪水位（宽深比大于50）以后，糙率相对减少20%。式（1）的分子相对减少量要大于分母，因此可以推断得出“经过渠化改造后河道洪水流量减少”的结论。这与变异诊断系统得到洪水序列发生了跳跃向下的中变异一致，说明渠化改造在一定程度上加剧了洪水变异。
忠建河流域上龙洞水库于1995年建成，对天然洪水具有一定的削峰调洪作用，从年最大流量和面平均年最大月降雨序列的变异诊断可以发现，流量序列在1999年发生中变异，降雨序列在1998年发生中变异，时间点比较接近且都在龙洞水库建成之后，说明该流域受气候变化和人类活动双重影响。而流量序列在变异点前后减少53.26%，降水序列在变异点前后减少21.86%，说明该流域主要受人类活动即龙洞水库修建的影响较大，而受气候变化影响较小，仅为前者的41%左右。与此同时，城区河道治理工程从2005年开始，进一步加剧了人类活动的影响，对其城区防洪预警预案的修编提出了新的要求[15]。
5 结语
本文对1956年-2010年面平均年最大月雨量序列和宣恩（二）站1962年-2013年的实测年最大流量序列进行了水文变异诊断，并利用谢才-曼宁公式，揭示了宣恩城区河道改造对洪水变异的影响，发现该流域洪水变异主要受人类活动的影响，气候变化对洪水变异的影响仅为前者的41%左右，渠化改造在一定程度上加剧了洪水变异。因此，需要科学合理地修编洪水预警预报方案，以适应环境的变化，使城市防洪抢险决策更加科学可行，抢险措施更加得力有效。
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