詹 超

(新疆石河子水文勘測(cè)局，新疆 石河子 832000)

寧家河位于新疆天山北玻，屬于典型的內(nèi)陸干旱氣候，流域多年降水量均值為390mm，春季和夏季降水量占全年降水量的比重超過(guò)70%，流域多年平均蒸發(fā)量為1560mm[1]。春季和夏季是寧家河流域洪水發(fā)生的主要季節(jié)，流域洪水呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征，春季洪水主要來(lái)自于冰川及高山融雪或者融雪和降水所產(chǎn)生的混合型洪水，夏季洪水主要為高山融雪和山區(qū)暴雨所產(chǎn)生。流域高山冰川以及積雪融化是形成融雪型洪水的主要原因，天山高區(qū)隨著氣溫升高使得大面積積雪融化，從而產(chǎn)生洪水。寧家河融雪型洪水出現(xiàn)時(shí)間不僅與融雪量級(jí)有關(guān)還與氣溫具有直接關(guān)聯(lián)。寧家河融雪型洪水具有明顯的日周期變化過(guò)程，洪量主要和前期溫度回升速率及高溫持續(xù)時(shí)間具有較高的相關(guān)性，流域融雪型洪水一般具有洪峰流量較低，但具有較大的洪水總量的特點(diǎn)。寧家河流域是融雪型洪水多發(fā)河流，春季融雪型洪水產(chǎn)生的洪澇災(zāi)害較大，因此亟需對(duì)其春季融雪洪水特征及主要成因進(jìn)行分析，從而提出相對(duì)應(yīng)的防御措施。近些年來(lái)，寧家河洪水特征分析取得一定研究成果，但對(duì)于其春季融雪型洪水研究還較少，尤其是對(duì)其洪水成因還為進(jìn)行系統(tǒng)分析，為此文章結(jié)合結(jié)合八家戶水文站實(shí)測(cè)洪水資料及附近氣象站點(diǎn)資料，對(duì)寧家河融雪洪水特征及主要成因進(jìn)行探討。研究成果對(duì)于寧家河春季融雪型洪水防御措施制定具有重要參考價(jià)值。

1 研究資料及方法

1.1 研究資料

為對(duì)寧家河春季融雪型洪水特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，結(jié)合寧家河流域水文站建站以來(lái)至2020年的水文氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其春季融雪洪水特征及主要成因進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1.2 研究方法

寧家河流域春季融雪洪水主要對(duì)其不同年代際變化特征進(jìn)行分析，并對(duì)其變化趨勢(shì)采用非線性趨勢(shì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)，分析其不同年代際春季融雪洪水量級(jí)變化趨勢(shì)的顯著性，并對(duì)其不同年代際春季融雪洪量進(jìn)行線性遞增或遞減傾向率的統(tǒng)計(jì)，在春季融雪洪水變化特征分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合流域內(nèi)的氣象觀測(cè)站積雪、氣溫、降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)流域春季融雪洪水變化成因進(jìn)行探討。其中變化趨勢(shì)檢驗(yàn)采用M-K非線性趨勢(shì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行分析，該方法針對(duì)樣本序列X進(jìn)行秩序樣本序列的構(gòu)造：

(1)

式中：Sk為樣本xi>xj在第i時(shí)刻的累加值；k為樣本序列總個(gè)數(shù)；ri為構(gòu)造的第i個(gè)秩序樣本序列值，其計(jì)算方程為：

(2)

假定各年份春季融雪洪量序列屬于獨(dú)立隨機(jī)的時(shí)間序列，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)量U的計(jì)算：

(3)

式中：E(Sk)為Sk序列的均值；var(Sk)為Sk序列的方差。當(dāng)樣本序列滿足相互獨(dú)立條件時(shí)，其均值和方差計(jì)算方程分別為：

(4)

(5)

當(dāng)達(dá)到90%的顯著性檢驗(yàn)水平時(shí)，其統(tǒng)計(jì)量U值的為1.96，當(dāng)統(tǒng)計(jì)量U值低于該臨界值，則表明趨勢(shì)不明顯，若高于該臨界值，則表示趨勢(shì)明顯。若統(tǒng)計(jì)值為正表示為遞增趨勢(shì)，若統(tǒng)計(jì)值為負(fù)表示為遞減趨勢(shì)。

2 寧家河春季融雪洪水特征

2.1 年尺度融雪洪水變化特征

結(jié)合寧家河流域水文站不同年代際春季融雪洪水實(shí)測(cè)和調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)其年尺度春季融雪洪水特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

表1 寧家河水文站1959年-2020年不同年代際春季融雪洪量變化特征

從寧家河不同年代際春季融雪洪量可看出，不同年代際春季融雪洪量的均值達(dá)到0.229×108m3，總體呈現(xiàn)遞增變化，線性傾向率為0.08×108m3/10a。通過(guò)突變特征分析，寧家河春季融雪洪水量突變年份主要出現(xiàn)在1990年以后，春季融雪洪量突變主要原因在于春季氣溫的遞增，通過(guò)對(duì)應(yīng)寧家河流域氣象站年平均氣溫的分析，寧家河流域年平均氣溫遞增率為0.35℃/10a，氣溫的升高，使得寧家河流域高山和冰川積雪融化量增多，增加春季融雪洪水量，由于氣溫突變也在1990年左右，也使得寧家河流域春季融雪洪水突變特征點(diǎn)主要在1990年左右。

2.2 年尺度融雪洪水變化趨勢(shì)檢驗(yàn)

在年尺度春季融雪洪水變化特征分析的基礎(chǔ)上，文章采用M-K非線性變化趨勢(shì)檢驗(yàn)方法對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 寧家河水文站1959-2020年不同年代際春季融雪洪量變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

從寧家河水文站1959-2020年不同年代際春季融雪洪量變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果可看出，除去1959-1969年以及2010-2020年外，寧家河流域其他年代際春季融雪洪量均呈現(xiàn)遞增變化，趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值均為正值，寧家河流域總體春季融雪洪量呈現(xiàn)弱遞增變化，其趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值為0.995，低于1.96的臨界值。1959-1969年及2010-2020年其春季融雪洪量呈現(xiàn)弱遞增變化，這主要和這兩個(gè)年代際氣溫有所降低有關(guān)。

3 寧家河春季融雪主要成因分析

3.1 積雪影響成因分析

結(jié)合寧家河流域水文站和氣象站數(shù)據(jù)，對(duì)流域不同場(chǎng)次春季融雪洪水及其對(duì)應(yīng)的積雪深進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表3所示，并對(duì)各場(chǎng)次洪水開(kāi)始時(shí)間和融雪開(kāi)始時(shí)間進(jìn)行分析，如表4所示。

表3 不同年份寧家河流域春季融雪洪水及積雪深對(duì)應(yīng)關(guān)系

表3 不同年份寧家河流域春季融雪洪水及積雪深對(duì)應(yīng)關(guān)系

表3 不同年份寧家河流域春季融雪洪水及積雪深對(duì)應(yīng)關(guān)系

從不同年份寧家河流域春季融雪洪水及積雪深對(duì)應(yīng)關(guān)系可看出，寧家河流域春季融雪洪水積雪深度最大值為40.3cm，最大積雪深均值為31.7cm，存在較為明顯的差異。一般而言可以將寧家河流域積雪深度>25cm作為發(fā)生春季融雪型洪水的主要判定指標(biāo)較為適宜。從寧家河流域融雪初始日期和洪水開(kāi)始時(shí)間的天數(shù)間隔可看出，最大間隔天數(shù)為6天，最下間隔天數(shù)為1d，間隔天數(shù)在4d的洪水場(chǎng)次數(shù)占總洪水場(chǎng)次數(shù)的比例可達(dá)到82%,流域內(nèi)場(chǎng)次較大洪水一般間隔天數(shù)在2d以內(nèi)，流域春季融雪型洪水存在時(shí)間滯后的變化特點(diǎn)。

3.2 氣溫影響成因分析

在積雪因子分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)寧家河流域春季不同場(chǎng)次融雪洪水，統(tǒng)計(jì)分析其洪水開(kāi)始時(shí)間和氣溫超過(guò)0℃日期之間的關(guān)系，如表4所示，并統(tǒng)計(jì)當(dāng)期平均氣溫和洪峰期之間的關(guān)系，如表5所示。

表4 不同年份寧家河流域春季融雪洪水開(kāi)始時(shí)間和氣溫超過(guò)0℃日期的對(duì)應(yīng)關(guān)系

表5 不同年份寧家河流域春季融雪洪洪峰期和氣溫超過(guò)5℃日期的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從不同年份寧家河流域春季融雪洪水開(kāi)始時(shí)間和氣溫超過(guò)0℃日期的對(duì)應(yīng)關(guān)系可看出，各場(chǎng)次洪水開(kāi)始日期和氣溫高于0℃日期有所差異，最高間隔天數(shù)為14d，最小間隔天數(shù)為1d，平均間隔天數(shù)為6d，寧家河流域春季融雪洪水和氣溫高于0℃日期總體相關(guān)性不高。從寧家河春季融雪洪水場(chǎng)次洪峰期和氣溫溫高于0℃日期相關(guān)關(guān)系分析可看出，融雪量最高值出現(xiàn)在洪峰期，洪峰出現(xiàn)時(shí)間流域當(dāng)期氣溫較高，平均氣溫高于4℃，春季首次平均氣溫高于5℃的日期和洪峰期較為接近，間隔時(shí)間均值總體低于3d。

3.3 降水影響成因分析

結(jié)合寧家河流域氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)其初春降水和洪水之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果如表6所示，并統(tǒng)計(jì)分析寧家河流域各場(chǎng)次洪水洪峰期和降水之間的關(guān)系，結(jié)果如表7所示。

表6 寧家河流域不同年份春季融雪洪水期與初春降水期關(guān)系

表7 寧家河流域不同年份春季融雪洪峰與初春降水期關(guān)系

初春降水對(duì)寧家河流域春季融雪洪水產(chǎn)生一定程度影響，尤其初春第一場(chǎng)降水或者雨夾雪對(duì)于徑流補(bǔ)給影響加大，也可以提高融雪速率，通常情況下寧家河流域春季第一場(chǎng)降雨或者雨夾雪后能較快形成融雪洪水過(guò)程，從洪水初始日期和降水日期可看出，在1～3d內(nèi)多數(shù)降水過(guò)程后既可以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的洪水。

3.4 凍土深度影響成因分析

結(jié)合寧家河流域凍土深度深度觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其不同洪水年份凍土深與春季洪水的關(guān)系進(jìn)行分析，并對(duì)其變化序列進(jìn)行T檢驗(yàn)，分析結(jié)果如表8所示。

表8 不同洪水年份寧家河流域凍土深度影響分析

洪水年份寧家河流域凍土深度平均值可達(dá)到130cm左右，而在非洪水年份，其凍土深度均值可達(dá)到86.5cm左右。冬季凍土深度對(duì)于寧家河流域春季融雪性洪水具有較好的關(guān)聯(lián)性。從T檢驗(yàn)結(jié)果可看出，T檢驗(yàn)值看通過(guò)置信水平為0.05的檢驗(yàn)，冬季凍土深度是春季融雪洪水特征主要影響因子。

4 結(jié) 論

1)寧家河流域春季融雪洪水積雪深度最大值為40.3cm，最大積雪深均值為31.7cm，存在較為明顯的差異。一般而言可以將寧家河流域積雪深度超過(guò)25cm作為發(fā)生春季融雪型洪水的主要判定指標(biāo)較為適宜。

2)各場(chǎng)次洪水開(kāi)始日期和氣溫高于0℃日期有所差異，最高間隔天數(shù)為14d，最小間隔天數(shù)為1d，平均間隔天數(shù)為6d，寧家河流域春季融雪洪水和氣溫高于0℃日期總體相關(guān)性不高。

3)寧家河流域春季第一場(chǎng)降雨或者雨夾雪后能較快形成融雪洪水過(guò)程，從洪水初始日期和降水日期可看出，在1～3d內(nèi)多數(shù)降水過(guò)程后既可以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的洪水。