李純紀
(陽泉市水文水資源勘測分局,山西 陽泉 045000)
桃河是綿河的一級支流,自西向東縱貫陽泉市區(qū),其支流分布在陽泉市郊區(qū)、礦區(qū)、城區(qū)和平定縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)。境內(nèi)河道長80 km,流域面積1 086 km2,平均縱坡11.3‰。多年平均徑流量0.608億m3,多年平均清水量0.093 m3/s。
桃河流域位于太行山區(qū),西高東低,屬砂頁巖土石區(qū)。境內(nèi)山高谷深、地勢起伏、溝壑縱橫,森林覆蓋率僅為13%,水土流失嚴重,生態(tài)環(huán)境惡劣;礦產(chǎn)資源豐富,是山西省重要的煤炭能源、化工、建材生產(chǎn)基地之一。陽泉水文站設于1955年,位于陽泉市市區(qū)桃河中游段,斷面以上控制流域面積490 km2,分布有汛期水文站1個、雨量站14個、報汛雨量站5個。
流域?qū)俚湫偷臏貛Т箨懶约撅L氣候,四季分明,春季干旱嚴重,夏季炎熱多雨,秋季降溫迅速,冬季寒冷干燥,多年(1955—2000年)平均氣溫11.3℃。1月最冷,平均氣溫4.6℃,極端最低氣溫為1954年12月29日的-19.1℃;7月最熱,平均氣溫24.3℃,極端最高氣溫為1955年7月24日和1999年7月24日的40.2℃。無霜期150 d,最大凍土深度68 cm,主導風向為西北風,夏季多偏東風,最大風速19 m/s。年均日照時數(shù)2 732.3 h,多年平均水面蒸發(fā)量1 202 mm,屬半濕潤地區(qū)。
由陽泉市氣象局1955—2010年氣溫資料分析可知,桃河流域氣溫呈非連續(xù)增暖趨勢,20世紀90年代較50年代上升了0.9℃,其中1985年是一個突變點,此后增溫極為明顯,且夜間氣溫增溫幅度高于白天增溫幅度,冬季增溫幅度高于夏季增溫幅度。2010年7月29日,最高氣溫達41.5℃,創(chuàng)歷史新高。
流域受東亞季風環(huán)流影響,降水存在明顯的季節(jié)性變化:冬、春季受干冷內(nèi)蒙古高壓控制,當極地和變性極地氣團過境時,會產(chǎn)生少量固體降水物。夏季東南風盛行,是桃河流域主要降水季節(jié)。首先,夏季太平洋副高勢力加強,向北推進,逼近我國海岸,成為流域降水的主要水汽來源。其次,西南季風侵入華北上空,從印度洋帶來赤道暖濕氣流,是流域的另一重要水汽來源,因其水汽含量豐沛,在有利的天氣形勢下,常產(chǎn)生大量降水;另外,太平洋的水汽除由東南方向直接入境外,常由西進臺風先期送入我國西南地區(qū),在適應的環(huán)流形勢導引下,轉(zhuǎn)向北進,由南、西南方向入境,構(gòu)成流域降水的又一水汽輸送機制。秋季極地高壓氣團逐步返回蒙古高原,除9月降水較多外,桃河流域遵循大范圍天氣形勢,迅速轉(zhuǎn)入枯季。
桃河流域降水量的年內(nèi)分配為單峰型,全年降水量主要集中在汛期,尤其是在7—8月,該階段的降水量約占全年降水量的50%以上;連續(xù)最大4個月的降水量發(fā)生在6—9月,占全年降水量的72.3%~79.3%;12月至次年3月降水量僅為全年降水量的5%。降水量在季節(jié)上的分配情況為:春季占12.2%,夏季占63.7%,秋季占21.1%,冬季占2.9%,夏季降雨多以短歷時、高強度暴雨形式出現(xiàn)。
流域內(nèi)降水量年際分布不均,個別年份1 d水量超過枯水年全年的降水量。桃河流域多年平均降水量(1956—2000年)為520.7 mm,離差系數(shù) Cv為0.23,偏態(tài)系數(shù)Cs與離差系數(shù)Cv之比為2.0。年最大降水量為866.4 mm(1963年),年最小降水量僅為215.3 mm(1997年),小于豐水年日最大降水量為263.3 mm(1966年),極值比為3.5,豐枯相差懸殊。從流域分布來看,年降水量由東南向西至桃河上游逐漸減少,變差系數(shù)從0.34降到0.28。
連續(xù)枯水是流域降水量年際變化的又一規(guī)律,對水資源開發(fā)利用影響很大。連續(xù)45年的降水量資料顯示:1978—1981年和1997—2000年出現(xiàn)2次連續(xù)四年干旱,1967—2000年中僅1988年為豐水年,表明70年代后桃河流域降水量處于相對偏枯水階段,降水量呈逐年下降趨勢,降幅達6.5%。
徑流是降落在流域表面的雨水,在水文循環(huán)過程中,除消耗于植物截流、下滲、蒸發(fā)和填洼的部分外,其余部分在重力作用下從地面(經(jīng)過坡地、溝、谷、溪、澗等)和地下匯集到小河,并沿河槽下泄的水流。徑流量的大小受降雨量、時空分布、流域形態(tài)和人類活動等因素的影響。
地表徑流量的年內(nèi)分配與降水的年內(nèi)分配極為相似,主要集中在夏秋兩季,其集中程度取決于雨季持續(xù)時間和雨季降水量集中程度,同時又受下墊面因素影響。桃河中、上游地區(qū)主要為砂頁巖類的土石山區(qū),無泉水補給,表現(xiàn)為典型的夏雨型。據(jù)陽泉水文站1955—2000年實測數(shù)據(jù)分析:汛期6—9月徑流量占全年徑流量的82.2%,7—10月徑流量占全年徑流量的83%,其中七八月份徑流量占全年徑流量的60.4%,徑流量集中程度相對較高。特別是近十年來,桃河全年大部分時間為干河,一年當中僅有幾場歷時不長的洪水過程,河流的季節(jié)性特點尤為明顯,徑流量年內(nèi)分配不均,是桃河流域的一個重要特征。
桃河流域植被稀少,水分涵養(yǎng)能力差,地表對徑流的調(diào)蓄作用小,徑流主要來源于降水補給,河川基流小,洪峰水量集中。徑流的年際變化用年徑流量離差系數(shù)Cv和極值比來反映,Cv和極值比愈大,徑流量年際變化越顯著。1956—2000年系列多年平均徑流量為6 240萬m3,Cv為 0.85,極值比為 31.7。另外,隨著時間的推移,桃河流域年徑流量呈下降趨勢,下降幅度為16.5%,居全市各流域之首,1990年以來流域年徑流量皆不達多年平均值。
桃河屬典型的季節(jié)性河流,洪水均由暴雨形成,其特點為匯流速度快、來勢猛、流速大、暴漲暴落、峰高、量大、歷時短,一般在幾小時至1~2 d之間,多夾帶大量卵石等推移質(zhì)泥沙。陽泉水文站建站以來實測最大洪峰流量為2 200 m3/s,發(fā)生于1959年,最大調(diào)查洪峰流量2 810 m3/s,發(fā)生于1945年。以多年的實測資料為依據(jù),對逐年最大洪峰進行頻率分析可知,多年平均洪峰流量為410 m3/s,Cv=1.35,Cs/Cv=3.5,不同頻率設計洪峰流量見表1。
表1 陽泉水文站設計洪峰流量
桃河流域來沙主要集中在汛期6—9月,期間產(chǎn)沙量最大的時期又集中在暴雨洪水期7—8月,據(jù)統(tǒng)計,6—9月的輸沙量占全年輸沙量的95.4%,7—8月的輸沙量占全年輸沙量的83.8%。有些年份甚至一次洪水過程輸沙量占全年輸沙量的90%以上。產(chǎn)沙和輸沙在短時段內(nèi)高度集中是桃河流域輸沙量年內(nèi)分配的一個重要特征。據(jù)陽泉水文站觀測資料表明:桃河多年平均含沙量24.9 kg/m3,最大含沙量為1969年的458 kg/m3;多年平均輸沙量 1.08×106t,最大輸沙量為1966 年的 5.36×106t;多年平均輸沙模數(shù) 2 144 t/km2。近年來,由于桃河流域徑流量減少,輸沙模數(shù)降低了一個數(shù)量級,但含沙量仍然很大,造成水庫淤積、河川抬高,加大了防洪壓力,直接威脅著國家和人民生命財產(chǎn)安全。