2015年湫水河洪水雨洪關(guān)系變化分析

□常遠(yuǎn)遠(yuǎn) □張 展 □李 焯 □楊 凱（黃河水文水資源科學(xué)研究院）

2015年湫水河洪水雨洪關(guān)系變化分析

□常遠(yuǎn)遠(yuǎn) □張 展 □李 焯 □楊 凱（黃河水文水資源科學(xué)研究院）

2015年8月黃河中游湫水河支流出現(xiàn)稀遇暴雨洪水，林家坪水文站出現(xiàn)1990年以來第二大洪峰流量1400m3/s。與該支流20世紀(jì)60-80年代的13場(chǎng)大洪水對(duì)比分析表明，現(xiàn)狀下墊面變化對(duì)暴雨產(chǎn)洪產(chǎn)沙具有明顯的削減作用，相同降雨條件下的洪峰流量、次洪洪量和次洪輸沙量均較歷史洪水減小。通過雨洪關(guān)系分析，與20世紀(jì)60-80年代相比，現(xiàn)狀下墊面變化對(duì)洪量的削減程度約55%，對(duì)沙量的削減程度約70%。

雨洪關(guān)系；下墊面；湫水河

0 引言

2015年8月1日20時(shí)至2日6時(shí)，黃河中游頭道拐至龍門區(qū)間支流湫水河出現(xiàn)強(qiáng)降雨過程，林家坪水文站8月2日6時(shí)出現(xiàn)洪峰流量1 400 m3/s的洪水，為1990年以來的第二大洪峰流量。文章通過與該支流歷史洪水雨洪關(guān)系的對(duì)比，本次分析暴雨洪水的產(chǎn)洪產(chǎn)沙特點(diǎn)。

1 暴雨洪水綜述

本次暴雨歷時(shí)10 h，流域面平均雨量為58.30 mm，50 mm等值線籠罩面積占流域面積的82.70%；暴雨中心位于程家塔站，次雨量為68.80 mm；主要降雨時(shí)段為8月1日21-22時(shí)和2日3-4時(shí)，2 h的累積面平均雨量為39.10 mm，占次雨量的67.10%；暴雨中心最大2小時(shí)雨量為55.60 mm，占暴雨中心次雨量的80.80%。

1.1 該次暴雨的特點(diǎn)：

雨區(qū)分布范圍覆蓋整個(gè)湫水河流域，雨量、雨強(qiáng)均較大，主雨時(shí)段集中。

湫水河林家坪站2015年8月2日3時(shí)54分開始起漲，6時(shí)24分洪峰流量1 400 m3/s，6時(shí)54分達(dá)到最大含沙量428 kg/m3，8月2日12時(shí)30分基本退水。本次洪水歷時(shí)近9 h，次洪洪量為1595萬m3，次洪輸沙量638萬t。

1.2 本次洪水特點(diǎn)

一是洪峰量級(jí)高，為1990年以來的第二大洪峰流量，僅次于2010年“9.19”洪水（2300 m3/s）；二是起漲迅速，漲洪歷時(shí)僅2.50 h；三是次洪洪量和次洪沙量較大，均為1990年以來的第三大值，僅次于2010年“9.19”洪水（3 117萬m3、1 256萬t）和2 000年“7.8”洪水（1 687萬m3、710萬t）。

2 與歷史洪水雨洪關(guān)系對(duì)比分析

選取林家坪站20世紀(jì)60-80年代洪峰流量＞1 400 m3/s的歷史洪水13場(chǎng)，與2015年洪水進(jìn)行對(duì)比，分析現(xiàn)狀下墊面條件下的場(chǎng)次洪水降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系變化。分別統(tǒng)計(jì)各場(chǎng)次降雨和洪水特征值，其中，洪水特征值包括洪峰流量Q、次洪洪量W、次洪輸沙量S等；降雨特征值包括面平均雨量P、暴雨中心雨量Pmax、暴雨中心最大2 h雨強(qiáng)Imax等。

黃土高原區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙受雨量和雨強(qiáng)的共同影響，特別是在產(chǎn)沙的過程中，雨強(qiáng)的作用更為顯著。姚文藝等認(rèn)為，“黃土高原一定下墊面條件下的侵蝕產(chǎn)沙取決于降雨強(qiáng)度與降雨量的同構(gòu)作用。降雨強(qiáng)度決定了超滲產(chǎn)流過程，降雨量決定了徑流量大小及土壤飽和度，因此，從降雨動(dòng)力因素來說，侵蝕產(chǎn)沙的潛勢(shì)取決于雨量雨強(qiáng)的同構(gòu)作用。為此，定義雨強(qiáng)與雨量的乘積為表征降雨侵蝕能力（PI）的新概念”[1]。

降雨侵蝕能力PI的組合中，雨量特征一般用次降雨的面平均雨量P或暴雨中心雨量Pmax表示；雨強(qiáng)特征選取了暴雨中心最大2 h雨強(qiáng)Imax，代表主要降雨時(shí)段的雨強(qiáng)。將組合后的P×Imax和Pmax×Imax，分別與Q、W、S建立相關(guān)關(guān)系。

從物理成因角度分析，與Q最為密切的降雨特征為Pmax×Imax，與W和S關(guān)系最為密切的降雨特征為P×Imax，具體情況見圖1～圖3。由于洪峰流量隨機(jī)性較大，因此與降雨特征值的相關(guān)性均較差，未能建立雨洪關(guān)系線；洪量、沙量與降雨特征值建立的雨洪關(guān)系線相關(guān)性尚可，R2分別為0.67和0.65。

圖1 湫水河場(chǎng)次洪水的Q～Pmax×Imax相關(guān)關(guān)系圖

圖2 湫水河場(chǎng)次洪水的W～P×Imax相關(guān)關(guān)系圖

由圖1、2、3可見，2015年洪水的雨洪關(guān)系與歷史洪水相比，其數(shù)據(jù)點(diǎn)位于點(diǎn)群下方，說明現(xiàn)狀下墊面相同降雨條件的洪峰流量、洪量和沙量均較歷史明顯減少。其中洪量和沙量的數(shù)據(jù)點(diǎn)則明顯偏小于歷史洪水點(diǎn)群，而洪峰流量的數(shù)據(jù)點(diǎn)尚位于歷史洪水點(diǎn)群內(nèi)，說明下墊面變化對(duì)洪峰流量的削減程度較小。將2015年洪水的降雨特征值帶入洪量和沙量的相關(guān)方程后，計(jì)算出本次暴雨在20世紀(jì)60-80年代平均下墊面水平下的理論洪量和沙量分別為3 512萬m3和2 161萬t，而實(shí)測(cè)洪量和沙量分別僅為1 595萬m3和638萬t，說明現(xiàn)狀下墊面較60-80年代下墊面削減洪量約55%，削減沙量約70%。

3 成果討論

將本次湫水河雨洪關(guān)系分析成果與近期相關(guān)成果進(jìn)行對(duì)比討論。徐建華等對(duì)黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間18條主要支流（包括湫水河）的下墊面變化對(duì)洪水的洪量和沙量影響分析表明，在2000-2006年平均下墊面條件較天然時(shí)期平均削減洪量67.60%，削減沙量70.10%[2]；金雙彥等對(duì)黃河中游孤山川支流（與湫水河位于同一干流河段）超定量洪水的洪量和沙量的影響因素分析中表明，2000-2010年降雨在天然時(shí)期下墊面條件下的平均次洪洪量和沙量分別為1 704萬m3和806萬t，而實(shí)測(cè)平均洪量和沙量?jī)H455萬m3和121萬t，即2000-2010年下墊面削減洪量約73%，削減沙量約85%[3]。

以上成果與文章采用的基本思路和方法相同，然而，除徐建華等關(guān)于削減沙量的結(jié)論與文章接近外，其他成果的結(jié)論均明顯大于文章。分析其原因，首先是歷史洪水選取的時(shí)段不同，文章選取的13場(chǎng)歷史洪水為20世紀(jì)60-80年代，期間，流域上已經(jīng)存在人類活動(dòng)所導(dǎo)致的下墊面變化，而其他成果則選取了近似為“天然時(shí)期”的歷史洪水；其次，2015年洪水為1990年以來實(shí)測(cè)洪峰流量第二大的洪水，而以往的研究成果表明，下墊面變化對(duì)大洪水的影響程度較小，而對(duì)中小洪水的影響程度較大[4]。同時(shí)，考慮到洪水的隨機(jī)性，因而出現(xiàn)了上述差異。

4 結(jié)論

在湫水河流域現(xiàn)狀下墊面條件下，相同降雨條件下的洪峰流量、次洪洪量和次洪輸沙量均較歷史洪水減小，下墊面變化對(duì)降雨產(chǎn)洪產(chǎn)沙具有明顯的削減作用。

采用暴雨中心雨量、面平均雨量與暴雨中心最大2 h雨強(qiáng)組合而成的“降雨侵蝕能力P×Imax”因子能夠較好的反映降雨產(chǎn)洪產(chǎn)沙關(guān)系。

下墊面變化對(duì)沙量的削減程度最大，約70%（較60-80年代平均下墊面水平，下同）；對(duì)洪量的削減程度次之，約55%；對(duì)洪峰流量的削減程度因隨機(jī)性無法量化，但明顯小于洪量和沙量的削減程度。

[1]姚文藝，徐建華，冉大川等.黃河流域水沙變化情勢(shì)分析與評(píng)價(jià)[M].鄭州：黃河水利出版社，2011，11：P139-148.

[2]徐建華，李曉宇，陳建軍等.黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間水利水保工程對(duì)暴雨洪水泥沙影響研究[M].鄭州：黃河水利出版社，2009，12：P166-169.

[3]金雙彥，蔣昕輝，錢云平等.孤山川流域次洪水量和沙量影響因素分析[J].人民黃河，2016(3).收稿日期：2016-08-16

（責(zé)任編輯：邢博輝）

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