变化环境下华南中小流域设计暴雨洪水同频率假定检验与作用机制

The changing environment has changed the "consistency" of runoff formation background. To reduce the risk of water conservancy projects from the changing environment, it’s of great importance to check the design of rainstorm and flood frequency in small watershed, and carry out the formation mechanism of the rainstorm-flood process with the same frequency. This project selects the Southern China typical small watershed as study areas, based on the measured storm and flood data in recent 50 years. It mainly focuses on the influence and mechanism for designing storm flood frequency hypothesis, which caused by the characteristics of rainstorm and the change of underlying surface. Firstly, it analyzes the evolution of system diagnosis method of storm flood characteristics in typical watershed; secondly, it verifies the hypotheses of whether the rainstorm and flood process with the same frequency based on observed data; thirdly, combined with field observation and fine small watershed runoff control experiment, it identifies the key environmental factors, which cause the change of flood peak and flood volume frequency, and determine the response relationship, during the inference process of "Rainstorm net rainfall flood"; finally, it reconstructs the comprehensive characteristic parameters based on Fractal Theory, establishes the quantitative relationship between the main parameters and the integrated characteristics of river basin flood process in small watershed, and discusses the process and the same frequency hypothesis of runoff and flood in small watershed in changing environment. The results are of great practical significance for Flood control and disaster reduction in small watershed and the stable development of economy and society.

环境变化改变了流域径流形成背景“一致性”，检验中小流域设计暴雨洪水同频率假定是否成立，开展暴雨洪水形成过程与同频率假定作用机制研究，对减少水利工程由变化环境带来的风险十分重要。本项目选取华南典型中小流域，基于近50年来的实测暴雨洪水资料，重点研究暴雨特性和流域下垫面变化对设计暴雨洪水同频率假定的影响及作用机制。首先对典型中小流域暴雨、洪水和下垫面特征演变过程进行分析；然后基于实测资料验证设计暴雨洪水同频率假设是否成立；其次结合典型小流域精细化观测资料，识别在“暴雨-净雨-洪水”推求过程中引起洪峰和洪量频率变化的关键环境要素，并确定其响应关系；最后基于分形理论重构流域综合特征参数，建立中小流域设计洪水产汇流过程主要参数与流域综合特征定量关系，探讨变化环境下中小流域暴雨洪水产汇流过程与同频率假设作用机制。预期研究成果对于中小流域防洪减灾和保证经济社会稳定发展等具有重要的现实意义。

气候变化和人类活动致使华南地区洪旱水文极端事件发生频率明显增加，改变了降水径流形成的“一致性”。项目针对变化环境下华南中小流域设计暴雨洪水同频率假定是否成立及暴雨洪水特征及过程对此的影响两个科学问题，选择华南鉴江上游曹江流域、北江上游赤溪流域和结龙湾流域为典型研究区，基于典型流域近60年来逐小时降水径流摘录数据和50场野外坡面小区降水径流控制实验数据开展同频率检验和作用机制研究工作。取得以下主要成果：（1）变化环境下暴雨特性方面，分析了曹江流域近60年连续1、3、6、12、24小时降水量的均值和方差，发现不同时段降水均值和方差均有显著增加；其次降水极大值方面，统计了最大1、3、6、12、24小时降水量不同年代变化，表明暴雨极大值增加趋势明显，暴雨量变异性明显著；同时选取568场暴雨对流域暴雨空间变化特征进行分析，结果表明流域暴雨中心点呈现由相对固定中心转为多中心化；（2）同频率假定检验方面，分析近300场不同量级暴雨洪水的频率，表明流域实测暴雨洪水同频不是大概率事件，具有随机性，且量级越大同频概率越大，中低暴雨洪水同频概率较小，给以中低洪水为主的中小流域设计暴雨洪水带来较大不确定性；在目前设计暴雨洪水方面，由实测暴雨推求设计洪水和由设计方法推求不同频率设计洪水结果表明，推理公式推求洪水偏大，而综合单位线推求洪水偏小；（3）在识别影响暴雨洪水产汇流过程的关键要素方面，野外实验数据表明雨强是最主要的影响因素，其次是土壤前期含水量和坡度，而植被覆盖度的影响相对较小；（4）选取峰高量大实测246场暴雨洪水过程，推算其推理公式和综合单位线的参数m，n和K，并分析其和暴雨、净雨及损失率的关系，表明参数m值随着洪水量级和净雨深的增大而减小，并逐渐趋于稳定，三个参数均受暴雨时空格局影响显著。本研究验证了华南中小流域设计暴雨洪水同频率假定不成立的事实，并从暴雨洪水产汇流过程讨论影响设计暴雨洪水参数变化的主要因素，减少设计暴雨洪水的不确定性，推动了工程水文学发展，为变化环境下水利工程设计提供直接依据。