西江防洪堤建成后洪水频率变化影响分析_朱颖洁.pdf

广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）广西西江流域是中国洪灾最为严重的地区之一，频繁发生的洪涝灾害严重制约经济的可持续发展。吴志勇等1用 P-型分布曲线拟合洪水系列进行频率计算，分析了珠江流域极端洪水事件的变化趋势；谢平等2利用西江梧州站数据研究基于小波分析的非一致性洪水频率计算方法；顾西辉等3研究了变化环境下珠江流域洪水频率变化特征。目前洪水相关研究对干支流洪水的遭遇考虑不足，基于洪水遭遇频率计算研究变化环境下西江防洪堤建设对洪水频率的影响，不仅对研究变化环境下的水循环和水安全具有很重要的意义，而且可为洪水灾害风险评估管理和流域防洪规划提供指导。1资料与方法结合19492018年大湟江口、梧州、京南、马江站年最大流量序列，统计分析防洪堤建设对洪水频率的影响。首先，采用有序聚类法4和秩和检验法找出梧州站年最大流量的突变点；接着，选用对数正态分布5、P-型分布6和Gumbel分布7研究防洪堤建设前后年最大流量的统计频率特征；其次，采用柯尔莫洛夫-斯米尔诺夫（KS）方法8检验理论分布与经验分布的偏离程度；最后，分析防洪堤建成后西江洪水的频率变化及洪水遭遇的概率变化。2突变点分析利用有序聚类法对梧州水文站19492018年（共70 a）的实测年最大流量序列进行突变分析，推估序列的分割点，计算得到总离差平方和Sn()与分割点的关系曲线（见图1）。图1年最大流量序列有序聚类分析Sn（）进程图西江防洪堤建成后洪水频率变化影响分析朱颖洁(梧州水文中心，广西梧州543002)摘要结合西江流域水文资料，基于洪水遭遇频率计算研究西江防洪堤建设对洪水频率的影响。首先采用有序聚类法和秩和检验法找出梧州水文站年最大流量序列的突变点；接着选用对数正态分布、P-型分布和Gumbel分布拟合防洪堤建设前后的年最大流量序列，并采用柯尔莫洛夫-斯米尔诺夫(KS)方法检验理论分布与经验分布的偏离程度，选出最合理的拟合分布；最后分析防洪堤建成后西江洪水的频率变化及洪水遭遇的概率变化。结果表明：对于相同的年最大流量，防洪堤建成后频率变大，重现期变小；对于相同的频率和重现期，防洪堤建成后相应的年最大流量变大；防洪堤修建前后西江发生大洪水时，浔江与桂江同时发生大洪水的概率并不高；当西江发生大洪水时,浔江出现较大洪水的概率较高；在防洪堤影响下洪水遭遇的概率发生了较大的变化：西江发生洪水的条件下，防洪堤建成后洪水遭遇的概率变小。关键字洪水频率；洪水遭遇；Gumbel分布；防洪堤；西江；梧州中图分类号P333.2文献标识码A文章编号1003-1510（2023）01-0083-04收稿日期2022-12-12作者简介广西自然科学基金项目（桂科基0991026）；广西水利厅科技项目（201618）作者简介朱颖洁（1984-），女，广西梧州人，梧州水文中心工程师，硕士，主要从事水文与水资源测报工作。理论分析与研究 83DOI:10.16014/ki.1003-1510.2023.01.014朱颖洁:西江防洪堤建成后洪水频率变化影响分析由图 1 可知，当=43 时，离差平方和Sn()=4.5 727109最小；当=44 时，离差平方和Sn()=4.5 945109第二小；当=45时，离差平方和Sn()=4.6 209109第三小。由此得出西江年最大流量突变点在1991、1992、1993年。为进一步分析这一突变点的显著性，采用秩和检验法进行验证。1991、1992、1993年前后两阶段，西江年最大流量序列差异的U值分别为2.26、2.19和2.05，均大于置信度水平为0.05时的临界值U0.05=1.96。由此可认为西江年最大流量序列在19911993年发生了显著变异。1994年以前大部分堤防在大洪水时都被洪水漫过，故1994年前的资料可作为没有防洪堤的样本资料，把梧州站年最大流量序列分为19491993、19942018两段分析防洪堤的建设对洪水频率的影响。3频率变化分析年最大流量本身是一个随机变量，借用统计推断的手段寻求洪水的分布模型，推算一定重现期的可能极值，揭示其内在规律。3.1年最大流量概率分布拟合选用对数正态分布、P-型分布、Gumbel分布函数分别拟合19491993年、19942018年浔江、桂江和西江年最大流量，计算拟合检验统计量。从年最大流量序列的KS统计量计算结果（见表1）来看，对数正态分布、P-型分布、Gumbel分布对年最大流量的拟合程度较高，所有原假设的理论分布与经验分布无显著差异，均通过了=0.05的KS显著性检验。比较而言，防洪堤修建前浔江和西江年最大流量Gumbel分布、桂江年最大流量对数正态分布的理论分布函数与经验分布函数的最大差值Dn最小；防洪堤修建后浔江年最大流量对数正态分布、桂江和西江年最大流量Gumbel分布的理论分布函数与经验分布函数的最大差值Dn最小。由此可见，总体来说，Gumbel分布拟合年最大流量效果最好，对数正态分布拟合年最大流量效果较好。表1对数正态分布、P-型分布、Gumbel分布KS检验统计量rn一览表序列防洪堤修建前防洪堤修建后浔江桂江西江浔江桂江西江对数正态分布P-型分布耿贝尔分布对数正态分布P-型分布耿贝尔分布对数正态分布P-型分布耿贝尔分布对数正态分布P-型分布耿贝尔分布对数正态分布P-型分布耿贝尔分布对数正态分布P-型分布耿贝尔分布KS检验统计量rx=Dn n120.5330.6860.1160.3920.6970.4960.4920.5850.4750.3650.6720.5230.2910.3920.2890.2590.3390.2063.2年最大流量的频率变化10 a一遇、20 a一遇、30 a一遇、50 a一遇、100 a一遇指概率为1/10、1/20、1/30、1/50和1/100的可能洪水。小概率事件在区域上的同时发生对于洪涝灾害的评估和防御具有十分重要的意义。利用年最大流量序列参数估计值，计算防洪堤建设前后浔江、桂江和西江重现期分别为10、20、30、50、100 a的洪水（见表2）。表2年最大流量频率计算结果表重现期/a10203050100频率/%1053.3321年最大流量/（m3/s）防洪堤修建前浔江36 10040 30042 60045 60049 600桂江10 60011 90012 60013 50014 800西江41 50046 20049 00052 40057 000防洪堤修建后浔江45 80051 40054 60058 60064 000桂江13 50015 50016 60018 10020 000西江50 20056 70060 50065 20071 50084广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）通过计算过去和现状条件下梧州站的年最大流量频率，以此评价防洪堤对洪水频率的影响。由表2可知，在防洪堤的归槽影响下，洪水发生的频率和量级发生了较大的变化。对于相同的年最大流量，防洪堤建成后频率变大，重现期变小；对于相同的频率和重现期，防洪堤建成后相应的年最大流量变大。3.3浔江、桂江洪水遭遇变化分析洪水遭遇概率变化分析是一种多变量频率计算。对于多变量水文现象，其边际分布是多样的，随机变量间呈现复杂的非线性关系。因此，为描述多变量的统计规律和相互关系，基于条件概率概念采用费永法9将多元随机变量分布函数转化为随机变量的分布函数进行多变量频率分析。研究防洪堤建设前后当西江发生1/10、1/20、1/30、1/50和1/100洪水条件下浔江、桂江洪水遭遇的条件概率变化情况。通过计算防洪堤建设前后西江洪水遭遇的概率，以此评价防洪堤对洪水遭遇概率的影响。遭遇序列的概率根据Gumbel分布模式计算得到。浔江与桂江年最大流量条件概率分布计算结果见表3。由表3可知，浔江与桂江洪水遭遇概率不高，均小于0.50%；西江发生大洪水时，浔江与桂江同时发生大洪水的概率并不高；当西江发生大洪水时，浔江出现较大洪水的概率较高；在防洪堤影响下洪水遭遇发生的概率发生了较大的变化，西江发生洪水的条件下，防洪堤建成后洪水遭遇的概率变小。表3防洪堤修建前后浔江、桂江洪水遭遇概率表年最大流量/（m3/s）41 500*46 200*49 000*浔江遭遇洪水频率/%123.33510123.33510123.33510不同洪水频率下桂江遭遇洪水概率1%0.210.230.220.250.260.130.170.190.150.150.250.120.140.160.102%0.190.220.220.240.260.130.160.190.140.150.250.120.140.160.103.33%0.170.210.210.230.260.120.160.180.140.150.250.120.140.150.105%0.150.190.210.230.260.120.150.180.130.150.240.110.130.140.1010%0.110.150.190.220.250.110.140.160.130.140.230.110.120.140.0952 400*57 000*50 200*56 700*60 500*65 20071 500123.33510123.33510123.33510123.33510123.33510123.33510123.335100.010.170.110.110.110.230.370.480.120.070.070.090.090.090.090.040.030.030.030.030.050.020.020.020.020.190.040.020.010.010.110.190.260.020.000.010.170.110.110.110.230.370.480.120.070.070.090.090.090.090.040.030.030.030.030.050.020.020.020.020.190.040.020.010.010.110.190.260.020.000.010.170.110.110.110.230.370.480.120.070.070.090.090.090.090.040.030.030.030.030.050.020.020.020.020.190.040.020.010.010.110.190.260.020.000.010.170.110.110.110.230.370.480.120.070.070.090.090.090.090.040.030.030.030.030.050.020.020.020.020.190.040.020.010.010.110.190.260.020.000.010.170.110.110.110.230.370.480.120.070.060.090.090.090.090.040.030.030.030.030.050.020.020.020.020.190.040.020.010.010.110.190.260.020.00注：*防洪堤修建前，*防洪防洪堤修建后4结论及建议研究统计分析防洪堤建成后洪水频率变化，主要结论及建议如下：（1）西江年最大流量序列在1993年发生了显著变异。（2）Gumbel分布拟合年最大流量效果最好。（3）在防洪堤的归槽影响下，洪水发生的频率和量级发生了较大的变化；对于相同的年最大流量，防洪堤建成后频率变大，重现期变小；对于相同的频率和重现期，防洪堤建成后相应的年最大流量变大。（4）西江发生大洪水时，浔江与桂江同时发生%85朱颖洁:西江防洪堤建成后洪水频率变化影响分析大洪水的概率并不高；当西江发生大洪水时，浔江出现较大洪水的概率较高；西江发生洪水的条件下，防洪堤建成后洪水遭遇的概率变小。（5）鉴于修建防洪堤后同一量级洪水发生的频率变大，建议在发挥防洪工程措施的基础上进一步完善防洪非工程措施，不断提高洪水预警、预报的精度和增长预见期；防洪设施的建设要与社会经济的发展水平相适应，与生态环境发展相平衡，防洪标准并不是越高越好，过高的防洪标准既会带来生态环境问题，也不利于流域的可持续发展。参考文献1吴志勇，陆桂华，刘志雨，等.气候变化背景下珠江流域极端洪水事件的变化趋势J.气候变化研究进展，2012，8（6）：403-408.2谢平，李析南，刘宇，等.基于小波分析的非一致性洪水频率计算方法以西江梧州站为例J.水力发电学报，2014，33（1）：15-22.3顾西辉，张强，刘剑宇，等.变化环境下珠江流域洪水频率变化特征、成因及影响（19512010 年）J.湖泊科学，2014，26（5）：661-670.4张学真，刘燕.灞河出山径流序列变化的小波分析J.水资源保护，2006，22（3）：12-15.5王萃萃.中国大城市极端强降水事件变化的研究D.北京：中国气象科学研究院，2008.6孙济良，秦大庸，孙翰光.水文气象统计通用模型M.北京：中国水利水电出版社，2001.7丁裕国.探讨灾害规律的理论基础极端气候事件概率J.气象与减灾研究，2006，29（1）：44-50.8屠其璞，王俊德，丁裕国，等.气象应用概率统计学M.北京：北京气象出版社，1984.9费永法.多元随机变量的条件概率计算方法及其在水文中的应用J.水利学报，1995（8）：60-66.（责任编辑：窦波元）Analysis of impact on flood frequency change after construction ofXijiang River flood protection dikeZHU Ying-jie(Hydrology Center of Wuzhou City,Wuzhou 543002,China)Abstract:Combined with the hydrological data of Xijiang River basin and based on the frequency calculation offlood encounters,the author studied the impact of the construction of Xijiang flood protection dike on flood frequency.First,ordered clustering method and rank sum test were adopted to find out the mutation point of the annual maximum flow sequence of Wuzhou Hydrological Station.Second,lognormal distribution,P-III distribution and Gumbeldistribution were selected to fit the annual maximum flow sequence before and after the construction of flood dike,and the most reasonable fitting distribution was selected after testing the deviation degree of theoretical distributionand empirical distribution by Kormolov-Smirnov(KS)method.Finally,the changes of Xijiang River flood frequencyand flood encounter probability after the construction of flood dike were analyzed.The results of analysis show thatfor the same annual maximum flow,the frequency becomes higher and the recurrence period becomes shorter afterflood dike construction;for the same frequency and recurrence period,corresponding annual maximum flow becomes larger after flood dike construction;before and after dike construction,when a big flood occurs in Xijiang River,the probability of big floods also occurring at the same time in Xunjiang River and Guijiang River is not high,butthe probability of a relatively big flood occurring in Xunjiang River is relatively high;under the impact of flood dike,the probability of flood encounter changes significantly and becomes smaller in case of flood occurring in XijiangRiver.Key words：Flood frequency;flood encounter;Gumbel distribution;flood protection dike;Xijiang River;Wuzhou86