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        甘肅黃河流域已知最大洪水及時空分布研究

        2017-06-19 15:08:10王雙合馬正耀
        地下水 2017年3期
        關鍵詞:集水洪峰模數(shù)

        王雙合,馬正耀

        (甘肅省水文水資源局,甘肅 蘭州 730000)

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        甘肅黃河流域已知最大洪水及時空分布研究

        王雙合,馬正耀

        (甘肅省水文水資源局,甘肅 蘭州 730000)

        在搜集整理甘肅黃河流域160余年、1 718場洪水資料的基礎上,分析得到甘肅黃河流域已知最大洪水記錄及其外包線公式,并與世界最大洪水外包線進行對比分析,揭示洪水極值的地區(qū)分布規(guī)律和演變趨勢。結果表明:當集水面積小于100 km2時,與世界外包線接近,個別場次超過世界外包線;當流域面積大于100 km2時,比世界外包線偏小較多;已知最大洪水主要分布在涇河水系東部、渭河水系中上游、洮河水系下游等區(qū)域;集水面積500 km2以下河流最大洪水發(fā)生,無明顯的變化趨勢,集水面積500 km2以上河流,最大洪水的發(fā)生有明顯的變化趨勢。為本地區(qū)設計洪水合理性檢查,估算可能最大洪水,制定洪水防治方案提供科學依據。

        黃河流域;已知最大洪水;時空分布;甘肅

        甘肅黃河流域位于甘肅中東部地區(qū),是一個典型的干旱少雨的地區(qū),同時又是一個暴雨洪水災害較多的地區(qū)。顯著特點是小流域洪水多發(fā)頻發(fā),峰高量小,容易引起嚴重災害。如:1979年8月10日,洮河流域孫家寨塌米溝洪水、新溝洪水[1]等,其洪峰流量及洪峰模數(shù)均超過或接近世界紀錄,造成重大人員傷亡和經濟損失。研究甘肅黃河流域的洪水特性,探討其發(fā)生的基本規(guī)律,對制定更加科學有效的防治對策,保障人民的生命財產安全,實現(xiàn)人水和諧、生態(tài)文明的戰(zhàn)略目標具有重要意義。

        本文搜集整理了最早可上溯至道光年間(1821-1850年),時間跨度達160余年、2 572場洪水資料[4-7],挖掘整理出甘肅黃河流域已知最大洪水記錄,推求了最大洪水外包線公式,通過與世界外包線的對比分析,具體說明該區(qū)域不同面積最大洪水在世界范圍內的量級,揭示洪水極值的地區(qū)分布規(guī)律和演變趨勢??蔀楸镜貐^(qū)進行設計洪水合理性檢查、估算可能最大洪水(PMF),以及制定科學合理的洪水防治方案,減少洪水災害損失提供依據。

        1 數(shù)據資料與研究方法

        1.1 資料來源與可靠性分析

        本次研究資料來源包括:《甘肅省洪水調查資料》1~4冊,《中國西北地區(qū)洪水調查資料》,《甘肅水旱災害》,甘肅山洪災害歷史洪水調查項目收集洪水資料,水文站斷面實測洪水資料,洪水專題調查報告收集洪水資料等。共收集到黃河流域詳細完整的洪水資料1 718場。

        本研究收集到的資料豐富而廣泛,包含了研究范圍內正式刊布或經專家審查過的所有資料文獻,在進行分析研究時,對所有洪水資料又進行了面上分析論證和合理性檢查,對在文獻中將資料可靠性評價為“僅供參考”的均不予采納,分析所采用的資料均為“可靠”或“較可靠”評級,從而保證了分析結果的真實性和可靠性。

        1.2 研究方法

        對搜集整理得到的洪水資料系列,按照面積由小到大進行排序,從中篩選得到已知最大洪峰流量記錄系列,在此基礎上推求最大洪水外包線公式。對于洪水外包線公式的推求,2003年IAHS出版的《世界實測最大洪水目錄》(第二版),根據1 500多場洪水求得的世界最大洪水外包線公式為:

        當A<90 km2時

        Qm=100A0.8

        (1)

        當A>90 km2時

        Qm=500A0.42

        (2)

        王國安[2]等根據2006年之前獲得的最新資料,推求得到的世界最大洪水外包線公式為:

        當A>300 km2時

        Qm=154A0.788

        (3)

        當A=300~3 000 000 km2時

        Qm=1 830A0.316

        (4)

        式(3)、(4)中符號意義同式(1)。

        根據上述研究所驗證得到的洪水外包線符合的線型關系,運用搜集得到的黃河流域已知最大洪水資料,按照擬合誤差最小原則推求外包線公式。

        2 已知最大洪水記錄及外包線公式推求

        對收集到的甘肅黃河流域1 718場洪水資料進行分析篩選,共得到20場不同集水面積對應的已知最大洪水記錄,見表1。集水面積最小為0.03 km2,最大為19 019 km2,對應洪峰流量分別為2.05 m3/s和19 500 m3/s,最大洪峰模數(shù)為洮河流域塌米溝,集水面積0.9 km2,洪峰流量159 m3/s,洪峰模數(shù)為176.7 m3/s·km2,最小洪峰模數(shù)為馬蓮河流域司咀子水文站以上流域,集水面積13 822 km2,洪峰流量13 200 m3/s,洪峰模數(shù)0.95 m3/s·km2。洪峰模數(shù)隨集水面積增加而減小趨勢明顯,不同集水面積范圍的平均洪峰模數(shù)為:1 km2以下為116.1 m3/s·km2;1~10 km2為59.6 m3/s·km2;10~100 km2為46.4 m3/s·km2;100~1 000 km2為9.85 m3/s·km2;1 000 km2以上為2.14 m3/s·km2。通過繪制集水面積與洪峰流量關系(F-Qm),結合對洪峰模數(shù)的聚類分析可知,洪峰模數(shù)在集水面積16.3 km2后出現(xiàn)明顯變化,F(xiàn)-Qm關系點據也出現(xiàn)明顯轉折(見圖1),經選擇單一線和以集水面積16.3 km2為分界點擬合兩條線進行比較分析,單一線對實測點據相對平均誤差為54.4%,兩條線為28%,后者擬合誤差最小。最后確定黃河流域已知最大洪水外包線公式為:

        表1 黃河流域已知最大洪水記錄

        當A<24.2 km2時

        Qm=75.58F0.809

        (5)

        當A=24.2~19 100 km2時

        Qm=245.6F0.439

        (6)

        擬合關系線如圖1所示。外包線轉折點在24.2 km2處,之前斜率較大,之后斜率趨緩。

        圖1 黃河流域已知最大洪水外包線

        3 結果分析

        3.1 外包線及洪峰模數(shù)對比分析

        由圖2給出了甘肅黃河流域最大洪水外包線及世界最大洪水外包線,與世界外包線進行比較可以看出:集水面積小于100 km2的小流域最大洪水十分接近甚至超過世界外包線,如:洮河孫家寨塌米溝洪水,超過世界外包線10.7%,成為世界紀錄;渭河流域聶河洪水,集水面積16.3 km2,洪峰流量1 161 m3/s,洪峰模數(shù)71.2 m3/s·km2,比世界外包線僅偏小3.9%;洮河新溝洪水,集水面積僅0.7 km2,洪峰流量102 m3/s,洪峰模數(shù)145.7 m3/s·km2,比世界外包線的外延線(世界外包線最小面積0.9 km2)偏小13.8%;當集水面積超過100 km2時,與世界外包線的偏離逐步增大,如:馬蓮河華池張川陽莊暴雨洪水,集水面積120 km2,洪峰流量2 550 m3/s,比世界外包線偏小51.6%;馬蓮河雨落坪站,集水面積19 019 km2,最大洪峰流量19 500 m3/s,比世界外包線偏小52.6%。

        洪峰模數(shù)是反映洪水強度的重要指標,表2列出了甘肅黃河流域及世界已知最大洪水的洪峰模數(shù)統(tǒng)計值,可以看出,平均值:甘肅黃河流為35.1 m3/s·km2,世界為54.3 m3/s·km2,相差明顯;最大值:甘肅黃河流域與世界值相同,同為甘肅洮河孫家寨塌米溝洪水的176.7 m3/s·km2;次大值:甘肅黃河流域為145.7 m3/s·km2,顯著高于世界值(發(fā)生于波多黎各)的118.4 m3/s·km2。集水面積10 km2以下及10~100 km2,二者接近;其它面積范圍相差較大。綜上所述,甘肅黃河流域洪峰模數(shù)最大及次大值均為世界紀錄,其產流面積分別為0.9 km2、0.7 km2,充分反映了該流域小面積洪水的驚人強度。

        圖2 甘肅黃河流域及世界已知最大洪水外包線

        表2 甘肅黃河流域與世界不同面積洪峰模數(shù)值對比

        3.2 已知最大洪水區(qū)域分布

        從已知最大洪水記錄來看,最大洪水發(fā)生地具有明顯的區(qū)域性特點:甘肅黃河流域20場已知最大洪水記錄,其中:涇河水系11場,占55%;洮河水系5場,占25%;渭河水系2場,占10%;黃河干流水系2場,占10%。集水面積10 km2以下的最大洪水多數(shù)發(fā)生在洮河水系臨洮縣境內,占62.5%,少部分發(fā)生在黃河干流靖遠縣及涇河水系鎮(zhèn)原縣境內,各占25%和12.5%;集水面積在10 km2以上的最大洪水全部發(fā)生在涇、渭河水系,分別占83.3%和占16.7%,而涇河水系最大洪水主要發(fā)生在隴東馬蓮河流域,占60%。綜上所述,雖然一般性的洪水在全流域均有發(fā)生,但就最大洪水而言,主要分布在涇河水系東部、渭河水系中上游、洮河水系下游區(qū)域。

        3.3 已知最大洪水時間分布及演變趨勢

        甘肅黃河流域最大洪水記錄最早為道光年間,最大洪水在160多年時間里分布狀況,既反映了洪水演變過程和趨勢,同時也反映氣候環(huán)境的變遷以及人類活動對洪水的影響。分析最大洪水發(fā)生次數(shù)在各時間段的分布情況(見表1),可以發(fā)現(xiàn):集水面積500 km2以下的最大洪水,最早記錄為1854年涇河水系四郎河高家臺洪水,最晚記錄為2002年黃河干流水系冬青溝洪水。雖然有的時期相對較多,有的時期相對較少,但各時期均有分布,無明顯變化趨勢;集水面積500 km2以上的最大洪水,最早記錄為發(fā)生于清朝道光年間涇河水系蒲河寺溝金家洪水,最晚記錄為發(fā)生于1947年的黑河洪水,共6場最大洪水記錄,有5場發(fā)生在上世紀以前,自1947年之后的近70年來,再無發(fā)生記錄,減少趨勢明顯。究其原因,除氣候變化因素外,主要是由于全國解放后,尤其是上世紀八十年代以來,進行大規(guī)模的流域治理和水利建設活動,興修梯田、攔蓄壩、水庫、水電站等水土保持和水利工程,對大流域洪水起到了很大的削減和控制作用[6-8],導致發(fā)生大流域洪水發(fā)生的可能性越來越低,而小面積流域則受局地暴雨的影響,隨機性強,工程控制作用相對較弱,超歷史大洪水不斷出現(xiàn),今后發(fā)生的可能性依然存在。因此,防范和治理小流域洪水,減少災害損失,將是今后防汛抗洪的重點所在。

        4 結語

        (1)黃河流域外包線與世界外包線進行對比分析:當流域面積小于100 km2時,十分接近、個別場次超過世界外包線,當流域面積大于100 km2時,與世界外包線的偏離明顯拉大,表明甘肅黃河流域由局地暴雨所產生小流域洪水可達世界紀錄,這也是該地區(qū)洪水災害多而頻繁的主要原因。

        (2)由流域已知最大洪水記錄可知:最大洪水主要分布在涇河水系東部、渭河水系中上游、洮河水系下游區(qū)域,這些地區(qū)仍是今后防洪的重點區(qū)域。

        (3)分析最大洪水隨時間演變的趨勢可知:在長達100多年的時間里,各流域集水面積500 km2以下的河流,最大洪水無明顯的變化趨勢;集水面積500 km2以上的河流,最大洪水的發(fā)生具有明顯的變化趨勢,在自1947年之后的近70年來,沒有發(fā)生記錄,減少趨勢明顯。表明除氣候因素外,大規(guī)模的流域治理和水利建設等人類活動,對大流域洪水起到了削減和控制作用,導致大流域洪水發(fā)生的可能性越來越低,而小流域則受局地暴雨的影響,工程作用相對較弱,發(fā)生超歷史大洪水的可能性依然存在。

        (4)通過豐富而廣泛的洪水資料,分析得到的甘肅黃河流域已知最大洪水記錄及其外包線公式,可用于設計洪水的合理性檢查以及最大可能洪水(PMF)的估算,但這是一個基于當前已知洪水條件下推求的結果,隨著人們對洪水資料的不斷積累,可隨時對最大洪水記錄和外包線公式進行修改,去不斷的逼近真值。

        [1]余應中,張鈺,楊淑雯,等.甘肅水旱災害[M].鄭州:黃河水利出版社.1996.6.

        [2]王國安, 王軍良,李保國,等.世界已知最大洪水及其外包線公式[J].人民黃河.2006,28(2):2-4.

        [3]甘肅省水利廳.甘肅省洪水調查資料[M].1983.6.

        [4]中華人民共和國水利部.中國西北地區(qū)洪水調查資料.

        [5]甘肅省水文水資源局.甘肅歷史洪水調查報告[R].2015.9.

        [6]李作偉, 吳榮軍, 馬玉平.氣候變化和人類活動對三江源地區(qū)植被生產力的影響[J].冰川凍土.2016,38(3):804-810.

        [7]代穩(wěn), 呂殿青, 李景保,等.氣候變化和人類活動對長江中游徑流量變化影響分析[J].冰川凍土.2016, 38(2):488-497.

        [8]王鶯, 張雷, 王勁松.洮河流域土地利用/覆被變化的水文過程響應[J].冰川凍土.2016,38(1):200-210.

        2017-02-22

        王雙合(1962-),男,甘肅天水人,教授級高工,主要從事水文水資源、水環(huán)境監(jiān)測、評價及預報研究工作。

        P331.1

        A

        1004-1184(2017)03-0113-03

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