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        寧家河春季融雪型洪水特征及成因分析

        2022-10-13 01:07:10
        黑龍江水利科技 2022年9期
        關(guān)鍵詞:洪量融雪積雪

        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。

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