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        內(nèi)蒙古西柳溝流域致洪暴雨特征分析

        2014-04-02 07:36:20王金花張榮剛李占斌
        中國(guó)水土保持 2014年8期
        關(guān)鍵詞:產(chǎn)流氣象站龍頭

        王金花,張榮剛,李占斌,何 琦

        (1.西安理工大學(xué) 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710048; 2.黃河水利科學(xué)研究院 水利部黃土高原水土流失過(guò)程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450003; 3.黃河水利委員會(huì) 水文局,河南 鄭州 450004)

        西柳溝流域?yàn)辄S河內(nèi)蒙古河段直接入黃的十大孔兌(蒙古語(yǔ),意為山洪溝)之一,發(fā)源于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市東勝區(qū)泊爾江海子鎮(zhèn)對(duì)壕鄉(xiāng)張家山頂,流經(jīng)泊爾江海子鎮(zhèn)和展旦召、昭君墳鄉(xiāng),由昭君墳鄉(xiāng)河畔村流入黃河,全長(zhǎng)106.5 km,流域總面積1 356.3 km2[1]。流域內(nèi)地勢(shì)南高北低,上游為黃土丘陵溝壑區(qū),地面物質(zhì)由砂巖和砒砂巖組成,植被覆蓋度低,極易產(chǎn)生水土流失;中游為庫(kù)布齊沙漠地帶,多為流動(dòng)性沙丘,風(fēng)蝕嚴(yán)重;下游為沖洪積扇區(qū),地勢(shì)較為平坦。該流域位于西北類雨型暴雨中心區(qū),多暴雨和特大暴雨。流域內(nèi)上中游強(qiáng)烈的水土流失為主汛期高含沙洪水的形成提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ),而突發(fā)性暴雨則為泥沙運(yùn)移提供了動(dòng)力條件。據(jù)實(shí)測(cè)資料,有觀測(cè)記錄以來(lái)西柳溝流域先后發(fā)生過(guò)9次泥沙堵塞黃河干流事件,給當(dāng)?shù)孛癖娚a(chǎn)生活和西柳溝入黃口對(duì)岸的包鋼生產(chǎn)造成重大影響[2-3]。本研究利用降雨、徑流觀測(cè)資料,分析西柳溝流域重大洪澇災(zāi)害事件發(fā)生時(shí)的降雨,尤其是致洪暴雨特征,闡述了流域性大暴雨及持續(xù)性暴雨對(duì)洪澇災(zāi)害的影響。

        1 西柳溝流域降雨、徑流資料

        1.1 水文、氣象站點(diǎn)

        西柳溝流域把口站為龍頭拐水文站,龍頭拐水文站設(shè)于1960年4月,1961年9月停測(cè),1962年7月20日恢復(fù)觀測(cè);1965年6月1日向下游遷移70 km,為龍頭拐(二)站;1969年7月1日又向上游遷移1.5 km,為龍頭拐(三)站;1991年11月11日再向下游遷移5 km至龍頭拐(四)站(E109°46′、N40°21′,距入黃口24 km,后簡(jiǎn)稱龍頭拐)。本次研究采用龍頭拐、柴登壕、高頭窯3個(gè)氣象站的降雨資料,徑流資料采用的是龍頭拐水文站資料,資料時(shí)段為建站以來(lái)至2010年,數(shù)據(jù)資料來(lái)源于《中華人民共和國(guó)水文年鑒》。氣象、水文站點(diǎn)分布情況見(jiàn)圖1。

        圖1 西柳溝流域氣象、水文站點(diǎn)分布情況

        1.2 降雨、徑流特征

        根據(jù)西柳溝流域內(nèi)氣象站降水量資料及把口站流量資料,分析降水量、徑流量變化特征(圖2),結(jié)果表明流域內(nèi)降水主要集中在汛期,其中6—9月降水量占年降水量的80.4%;7—9月徑流量較大,約占年徑流量的63.6%。從降水量與徑流量的分布情況可以看出,西柳溝流域徑流主要來(lái)自降雨產(chǎn)流。

        圖2 西柳溝流域多年平均月降水量、徑流量

        與降水量的年內(nèi)分配規(guī)律不同,徑流量的分布呈現(xiàn)雙峰型,即除了主汛期7—9月份存在一個(gè)產(chǎn)流高峰期以外,3月份還有一個(gè)產(chǎn)流高峰期,3月份流域產(chǎn)流量占到全年產(chǎn)流量的10.4%,僅次于主汛期9月份的產(chǎn)流量。初步分析,一方面由于西柳溝流域位置偏北,冬季形成的積雪在3月份開(kāi)始融化產(chǎn)生融雪徑流;另一方面可能是由于其特殊的流域下墊面因素造成的,中游的庫(kù)布齊沙漠降雨入滲量比黃土區(qū)大,降雨就地入滲,產(chǎn)流過(guò)程延長(zhǎng),冬季河流水位較低時(shí)沙漠中的水分補(bǔ)給河流,致使河流徑流量增大。有關(guān)這方面的深層次原因,目前正在開(kāi)展地表覆沙層對(duì)降雨產(chǎn)流過(guò)程影響的試驗(yàn)研究。

        2 西柳溝流域致洪暴雨特征分析

        西柳溝雖為季節(jié)性河流,年平均徑流量較其他入黃一級(jí)支流小,但汛期來(lái)水來(lái)沙往往會(huì)給黃河干流帶來(lái)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害及淤積堵塞,這與該流域位于我國(guó)西北類雨型暴雨中心區(qū)、黃河流域夏季易澇區(qū)[4-5],以及流域徑流主要來(lái)自于暴雨產(chǎn)流等特征有著重要的關(guān)系。本研究以西柳溝流域?yàn)槔?,分析流域?nèi)由汛期突發(fā)性暴雨造成嚴(yán)重洪澇災(zāi)害、黃河干流淤堵年份[3,6-7]降雨的時(shí)空變化特征,重點(diǎn)闡述了災(zāi)害發(fā)生時(shí)流域暴雨強(qiáng)度、歷時(shí)以及暴雨中心分布情況。

        2.1 全流域短歷時(shí)、高強(qiáng)度降雨易造成山洪暴發(fā)

        以西柳溝山洪暴發(fā)引起黃河干流堵塞較嚴(yán)重的1966年8月13日和1989年7月21日降雨(表1)為例,分析洪水暴發(fā)前流域內(nèi)各氣象站統(tǒng)計(jì)的致洪暴雨特征。

        從表1可以看出,整個(gè)流域在兩次降雨過(guò)程中無(wú)論上游、中游還是下游均有較強(qiáng)的降雨,均出現(xiàn)了6 h降水量大于140 mm的特大暴雨,特大暴雨發(fā)生時(shí)段平均降雨強(qiáng)度在20 mm/h以上。根據(jù)各個(gè)氣象站降雨摘錄資料,1966年8月13日上游柴登壕氣象站6.6 h降雨量144.4 mm,達(dá)到特大暴雨強(qiáng)度等級(jí);中游高頭窯氣象站6.4 h降雨量73.5 mm,達(dá)到大暴雨等級(jí);把口站龍頭拐洪澇災(zāi)害發(fā)生前(時(shí))7 h降雨量為18.2 mm。尤其是1989年7月21日,整個(gè)流域普降暴雨,上游柴登壕氣象站6 h降雨量66.9 mm,最大降雨強(qiáng)度12.2 mm/h;中游高頭窯氣象站降雨量最大,6 h降雨量147.0 mm,達(dá)到特大暴雨等級(jí);把口站龍頭拐4 h降雨量77.1 mm,最大降雨強(qiáng)度39.5 mm/h。結(jié)合洪澇災(zāi)害資料和上述分析可以看出,全流域高強(qiáng)度、短歷時(shí)暴雨是洪澇災(zāi)害發(fā)生的重要誘發(fā)因素之一。

        表1 1966-08-13、1989-07-21西柳溝流域致洪暴雨特征

        2.2 連續(xù)性降雨是引發(fā)山洪的另一重要原因

        除短歷時(shí)高強(qiáng)度降雨外,連續(xù)性降雨也是引發(fā)山洪的一個(gè)重要原因。如1998年7月12日和2003年7月29日的兩次山洪致使黃河干流淤堵嚴(yán)重,但是就當(dāng)日降雨而言,降雨強(qiáng)度及范圍均較小,前期的連續(xù)性降雨才是導(dǎo)致流域山洪暴發(fā)的重要原因。根據(jù)山洪暴發(fā)前流域內(nèi)各站觀測(cè)降雨歷時(shí)及降雨量(表2),對(duì)兩次洪澇災(zāi)害發(fā)生前期的降雨洪水過(guò)程分析如下:

        表2 西柳溝流域持續(xù)性降雨歷時(shí)及降雨量

        1998年7月12日西柳溝流域中下游地區(qū)有降雨過(guò)程發(fā)生,高頭窯站觀測(cè)降雨量為68.4 mm(10 h),龍頭拐站觀測(cè)降雨量為39.9 mm(14 h),平均降雨強(qiáng)度為2.3~6.9 mm/h,單次降雨強(qiáng)度并不算太大。但是之前的7月5日全流域范圍內(nèi)普降大雨,其中高頭窯站和龍頭拐站均有大暴雨發(fā)生,次降雨量分別達(dá)到103.8、100.1 mm,形成了最大流量1 470 m3/s、最大含沙量682 kg/m3的洪峰過(guò)程,洪水過(guò)程持續(xù)到7月6日20時(shí)。在此次全流域范圍內(nèi)的降雨過(guò)程中下墊面基本飽和,隨后的12日降雨下墊面損耗量較少、直接產(chǎn)流量大,形成了最大流量1 700 m3/s、最大含沙量764 kg/m3的洪水過(guò)程,致使大量洪水泥沙集中而下,造成黃河干流淤積嚴(yán)重。此外,2003年7月30日西柳溝流域泥沙淤堵黃河干流也是由于前期持續(xù)性降雨過(guò)程造成的,7月16日至26日流域內(nèi)持續(xù)性降雨使得龍頭拐水文站在7月25日20時(shí)20分形成1 100 m3/s的洪峰,7月29日至30日的持續(xù)降雨形成了最大流量2 410 m3/s的洪峰過(guò)程。

        2.3 暴雨中心出現(xiàn)在中游極易引發(fā)洪澇災(zāi)害

        對(duì)流域產(chǎn)流過(guò)程來(lái)說(shuō),在面平均降雨量相同的情況下,一般實(shí)際匯流面積越大,產(chǎn)流量越大;同樣,在產(chǎn)流面積相同的情況下,面平均降雨量越大,產(chǎn)流量也越大。根據(jù)西柳溝流域洪澇災(zāi)害記載資料及降雨量資料,分析發(fā)生淤堵黃河干流重大事件前(時(shí))流域內(nèi)各氣象站降雨特征,探討致洪暴雨的空間分布特征。圖3為西柳溝流域發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害年份各氣象站降雨量分布圖。從圖中可以看出,在歷次洪澇災(zāi)害發(fā)生時(shí),流域內(nèi)無(wú)論是上游、中游還是下游都有明顯的降雨過(guò)程;從降雨量的等級(jí)上來(lái)看,歷次洪澇過(guò)程中以高頭窯站降雨量最大,均達(dá)到暴雨或者特大暴雨等級(jí),即呈現(xiàn)出以中游高頭窯為暴雨中心的空間分布格局。

        圖3 重大洪澇災(zāi)害年份西柳溝流域各氣象站降雨分布

        3 結(jié) 語(yǔ)

        基于西柳溝流域水沙災(zāi)害嚴(yán)重的現(xiàn)狀,在分析有觀測(cè)資料以來(lái)流域內(nèi)降雨產(chǎn)流輸沙關(guān)系的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)剖析了洪澇災(zāi)害嚴(yán)重年份致洪暴雨時(shí)空分布特點(diǎn),結(jié)果表明西柳溝流域發(fā)生黃河干流淤堵時(shí)的致洪暴雨主要有3個(gè)特點(diǎn):一是全流域上、中、下游有高強(qiáng)度短歷時(shí)大暴雨及特大暴雨;二是前期有連續(xù)性大雨及暴雨;三是呈現(xiàn)以高頭窯為暴雨中心的空間分布格局。該研究成果可為黃河寧蒙河段水資源合理調(diào)度及重大災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警提供重要參考。

        [參考文獻(xiàn)]

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