大清河系山丘区下垫面变化对洪水影响分析

中国环境学会  2011年 03月31日

  陈宝根1  胡春歧2
  1河北省衡水水文水资源勘测局,联系电话15930835365河北衡水市康泰街496号,053000.

        2河北省水文水资源勘测局,河北石家庄,050031


  摘要:在对大清河系山丘代表区下垫面条件调查的基础上,采用历史水文资料,对大清河系山丘代表区流域下垫面条件变化对洪水演变规律的影响进行了分析和探讨,为流域防洪规划和管理提供技术支撑,也为将来洪水预报方案的编制提供第一手资料。
  关键词:山丘区;下垫面;洪水;影响;分析


  1引言


  随着经济社会的迅速发展,人类活动对流域下垫面条件的影响不断加剧,从而导致流域下垫面条件发生了较大程度的变化,主要包括:土地开发利用、水土保持、植树造林、水利工程、城镇化建设等诸多方面[1],进而造成了流域洪水变化规律发生一定程度的变化。为此,通过对流域下垫面条件进行调查,利用历史水文资料,对流域下垫面条件变化对洪水造成的影响程度进行探求和分析,将为流域防洪规划和管理提供技术支持,同时,也为将来洪水预报方案的编制提供第一手资料。


  2流域概况


  2.1大清河系流域概况
  大清河是海河流域五大河系之一,流域总面积43060km2,其中山区面积18610km2,占43%;平原面积24450km2,占57%。流域总的地势为西北高、东南低,地貌分山区和平原,京广铁路以西为山丘区,以东为平原。
  大清河系地处温带半干旱大陆性季风气候区,四季分明,冬季盛行北风和西北风,夏季多东南风,春季干旱多风沙,年平均气温7.6~13.1℃。大清河系内多年平均年降水量561mm,其中,汛期(6~9月)多年平均降水量为451mm,约占全年降水量的80%。汛期降水量以1954年930mm为最大。


  2.2代表区流域概况
  根据大清河系山丘区流域的实际情况,本次在山区选择了两个代表区,分别为大清河北支山区紫荆关以上流域和南支山区阜平以上流域,在丘陵区选择一个代表区,为南北支交界处的龙门以上流域。


  2.2.1紫荆关以上流域概况
  紫荆关以上流域位于大清河系北支拒马河上游,流域面积1760km2。石门以上为涞源盆地,属黄土高原边缘的土石山区,河道侵蚀严重,石门至紫荆关之间为开阔谷地,属石山区,表层岩石风化严重,水土流失现象较多。流域内植被情况较差,仅局部地区有小块成林。紫荆关以上流域最大年雨量1463.6mm(1956年),多年平均雨量约650mm。洪水主要产自汛期暴雨,洪水暴涨暴落。
 

  2.2.2阜平以上流域概况
  阜平以上流域位于大清河系南支沙河上游,流域面积2210km2。沙河发源于山西省灵邱县孤山,阜平以上一般为深山区,河道纵坡平均为5.3‰,两岸皆为岩石,几乎无台地,流域内植被情况较差,仅局部地区有小块成林。流域多年平均降雨量约600mm,是暴雨洪水多发地区之一。


  2.2.3龙门以上流域概况
  龙门以上流域位于大清河系漕河中游,流域面积470 km2,占漕河总面积的59%。漕河发源于涞源县境内五回岭(北支)及青石岭(南支)。流域属太行山北段东麓低山丘陵区,上游在西角及旺家台以上为花岗岩,以下为石灰岩,风化较轻,植被较差。流域多年平均降水量为600mm。


  3代表区流域下垫面情况调查


  流域下垫面条件是指流域地质、地貌、土壤等自然地理条件以及土地利用等人为因素的综合体[2]。因流域自然地理条件变化较小,故本次重点对土地利用等人为因素变化进行了调查。
 

  3.1紫荆关以上流域
  经调查分析,紫荆关以上流域土地利用类型主要以林地、耕地为主,其中林地面积最大,1979年和2005年所占比例分别为62.23%和58.70%,其次为耕地,分别占32.22%和34.22%,1979年和2005年林地、耕地两种土地利用类型面积分别占94.45%和92.92%。草地所占比例分别为4.44%和5.72%,建设用地分别占1.13%和1.36%,详见表3.1。
  表3.1  紫荆关以上流域土地利用分类统计表

  土地类型

1979

面积

占总面积

比例(%)

2005

面积

占总面积

比例(%)

净增

面积

净增面积占总面积比例变化(%)

耕地

567.0

32.22

602.2

34.22

35.2

2.00

林地

1095.2

62.23

1033.1

58.70

-62.1

-3.53

草地

78.1

4.44

100.7

5.72

22.6

1.28

水域

0.0

 

0.0

 

0.0

 

建设用地

19.8

1.13

24.0

1.36

4.2

0.24

 

     3.2阜平以上流域
  经调查分析,阜平以上流域土地利用类型主要以耕地、林地为主,其中耕地面积最大,1979年和2005年所占比例分别为46.80%和49.07%,其次为林地,分别占45.38%和41.79%。1979年和2005年耕地、林地两种土地利用类型面积分别占92.18%和90.86%;草地所占比例分别为1.39%和2.60%;水域占地分别为5.61%和5.48%;建设用地分别占0.83%和1.06%,详见表3.2。
  表3.2   阜平以上流域土地利用分类统计表

  土地类型

1979

面积

占总面积

比例(%)

2005

面积

占总面积

比例(%)

净增

面积

净增面积占总面积比例变化(%)

耕地

1034.2

46.80

1084.5

49.07

50.3

2.28

林地

1002.8

45.38

923.5

41.79

-79.3

-3.59

草地

30.7

1.39

57.5

2.60

26.8

1.21

水域

124.0

5.61

121.1

5.48

-2.9

-0.13

建设用地

18.3

0.83

23.4

1.06

5.1

0.23

 

  3.3龙门以上流域
  经调查分析,龙门以上流域土地利用类型主要以耕地为主。1979年和2005年所占比例分别为71.15%和68.77%,其次为建设用地,分别占14.91%和21.51%,水域所占比例分别为8.34%和4.19%,林地分别占5.60%和5.53%,详见表3.3。
  表3.3   龙门以上流域土地利用分类统计表

  土地类型

1979

面积

占总面积

比例(%)

2005

面积

占总面积

比例(%)

净增

面积

净增面积占总面积比例变化(%)

耕地

334.4

71.15

323.2

68.77

-11.2

2.38

林地

26.3

5.60

26.0

5.53

-0.3

50.06

草地

0.0

 

0.0

 

0.0

 

水域

39.2

8.34

19.7

4.19

-19.5

4.15

建设用地

70.1

14.91

101.1

21.51

31.0

6.60

 

     4流域下垫面变化对洪水影响分析


  4.1洪水特性变化初步分析
  4.1.1洪量与洪峰变化初步分析
  采用阜平、紫荆关和龙门三个代表区流域的历史洪水资料,分别以最大1日、3日洪量及历年最大洪峰等作为研究对象,对80年前、后的洪量、洪峰等分别进行统计计算和分析,成果详见表4.1。
  从表4.1中可以看出,无论是最大1日洪量、3日洪量,还是历年最大洪峰,80年前、后变化均较大,均呈减小趋势,且其变差系数均呈增大趋势。
  表4.1 洪水特性相关参数对比分析表

  河名

沙河

漕河

拒马河

站名

阜平

龙门

紫荆关

时间(年)

19582005

19581979

19802005

19612005

19611979

19802005

19562005

19561979

19802005

1d

洪量

均值

1763

2529

1116

848

1191

597

1012

1402

638

Cv

1.63

1.47

1.77

2.57

1.47

2.65

2.25

2.03

2.09

3d

洪量

均值

3723

5494

2225

1497

2034

1105

1919

2650

1216

Cv

1.55

1.38

1.60

2.47

1.40

2.60

2.16

1.95

2.01

洪峰

均值

385.4

511.7

214.7

283.9

330.6

212.5

222.8

318.8

129.8

Cv

1.56

1.37

1.82

2.34

1.71

2.50

2.11

1.26

1.90

 

     4.1.2洪水历时与洪峰滞时变化初步分析
  采用阜平、紫荆关和龙门三个代表流域的历史较大典型洪水资料,对80年前后的洪水历时、洪峰滞时等分别进行统计计算和分析,成果详见表4.2。
  表4.2各代表流域典型洪水特征值

  流域

典型洪水

降雨量

总径流深

径流系数

洪峰

滞时

历时

阜平以上

80前均值

196.4

79.6

0.4

1342.7

12

99

80后均值

124.2

40.4

0.3

609.0

41

137

紫荆关以上

80前均值

174.1

74.6

0.3

1457

6

79

80后均值

108.4

24.6

0.2

346

18

83

龙门以上

80前均值

431.7

278.0

0.5

1359.2

11

85

80后均值

213.2

72.3

0.3

608.3

16

95

  从表4.2中可以看出,无论是洪水历时还是洪峰滞时,80年前后均有较大变化,且均呈增大的趋势,且其增大的幅度随面积的增大而增大。


  4.2洪水特性变化趋势分析
  随着时间的增长,水文序列呈现出一定规则的变化,即趋势变化。为分析水文序列的趋势变化,本次主要采用坎德尔(Kendall)秩次相关检验法、线性趋势回归检验两种方法对大清河系山丘代表区流域洪水特征的变化趋势进行分析。
 

  4.2.1 Kendall秩次相关检验法
  给定α=0.05时,U0.05=±1.96。当|UFK|>Uα时,表明序列存在明显增长或减小趋势。根据阜平、龙门、紫荆关三个代表流域的历史水文资料系列,采用Kendall非参数秩次相关检验法,对次洪总量、年最大洪峰流量等因素的变化趋势进行分析,其成果见表4.3~4.4。
  表4.3  大清河系山丘代表区历年次洪量Kendall秩次相关检验成果

  

阜平

龙门

紫荆关

检验统计量

-1.7322

-0.9557

-2.832

趋势性

下降

下降

下降

是否显著

不显著

不显著

显著

  表4.4 大清河系山丘代表区历年最大洪峰Kendall秩次相关检验成果

  站名

阜平

龙门

紫荆关

检验统计量

-3.132

-0.2056

-3.0343

趋势性

下降

下降

下降

是否显著

显著

不显著

显著

  由以上分析成果可以看出,大清河系山丘代表区历年次洪水总量呈下降趋势,其中,紫荆关以上流域的次洪水总量下降趋势明显;历年最大洪峰呈下降趋势,其中阜平、紫荆关具有明显的下降趋势。


  4.2.2 线性趋势回归分析法
  在原假设 时,统计量 服从自由度为(n-2)的 分布。
  原假设为无线性趋势,当给定显著性水平 后,在 分布表中查出临界值 ,当  ,接受原假设,认为回归效果不显著,即线性趋势不明显;当 ,拒绝原假设,认为回归效果是显著的,即线性趋势显著。根据阜平、龙门、紫荆关三个代表流域的历史水文资料系列,采用线性趋势回归方法,对次洪水总量、年最大洪峰等因素的变化趋势进行分析,成果见表4.5~4.6。
  表4.5 大清河系山丘代表区次洪量线性趋势回归检验成果

  站名

阜平

龙门

紫荆关

检验统计量

-2.3538

-1.4139

-2.3719

趋势性

下降

下降

下降

是否显著

显著

不显著

显著

  表4.6 大清河系山丘代表区洪峰线性趋势回归检验成果

站名

阜平

龙门

紫荆关

检验统计量

-2.5549

-1.2876

-2.5857

趋势性

下降

下降

下降

是否显著

显著

不显著

显著

  由上述分析成果可以看出,大清河系山丘代表区的次洪量呈下降趋势,其中,紫荆关、阜平两个流域的次洪量下降趋势明显;历年最大洪峰亦呈下降趋势,其中阜平、紫荆关历年最大洪峰具有明显的下降趋势。


  5结论


  受人类活动的影响,大清河系洪水特性呈现出明显的不确定性的行为特征。本次采用多种技术和方法,对大清河系山丘区代表流域的洪水特征进行了全面分析,基本结论如下。
  (1)不同时段的最大洪量及洪峰,80年前后均呈现减小的趋势,其减小的幅度随时段的增长而增大、随面积的增大而增大,其变差系数则呈增大趋势。洪水历时和洪峰滞时,80年前后也发生较大变化,均呈增大的趋势,其增大的幅度随面积的增大而增大。
  (2)采用滑动平均法、线性趋势回归法对大清河系阜平、龙门、紫荆关等山丘代表区的次洪水总量、洪峰流量的趋势性进行分析和检验。两种方法得出的结论基本一致:大清河系山丘代表区的历年次洪量呈下降趋势,其中,紫荆关、阜平两个流域的次洪量下降趋势明显;历年最大洪峰亦呈下降趋势,其中阜平、紫荆关历年最大洪峰具有明显的下降趋势。


  参考文献:
  [1] 包为民。《水文预报》。北京:中国水利水电出版社:2006。
  [2] 芮孝芳。《水文学原理》。北京:中国水利水电出版社:2004。
  作者简介:陈宝根(1962~),男,河北阜城县人,高级工程师,科长,主要从事水文水资源研究工作。
  联系方式:联系人:陈宝根,联系电话:0318-5238150,15930835365,E-mail:hscy_cbg@163.com。
  通讯地址:河北省衡水市桃城区康泰街496号,河北省衡水水文水资源勘测局。邮编:053000。
  Topic: An analysis on impacting of altered condition of basin Cushion to flood in Mountain & Hills area of DAQING river
  Author: Chen-baogen1, Hu-chunqi2
  Unit: Hebei HengShui hydrology & water resources survey bureau,Hebei Hengshui, PC 053000, Hebei hydrology & water resources survey bureau,Hebei Shijiazhuang, PC 050031
  Abstract: Base on the investigation of Cushion in Mountain & Hills area of DAQING river. Adopts history hydrology datum,gives a analyse & inquirement to change of regular pattern of flood below the alternated cushion.It will supply a technique support for basin Planning & administration of preventing flood,and also supply firsthand datum for the future flood water forecast scheme establishment.
  Key words: Mountain & Hills area;cushion;flood;impacting; analysis
  
  

 
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