八寶河牛心山段“7·22”暴雨-洪水特性分析

宋愛(ài)英，扈家昱，崔力超，賀 彥，茍莉雲(yún)，李紅紅

(1.甘肅省張掖水文站，甘肅 張掖 734000；2.甘肅省水文站，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

近年來(lái)，基于全球氣候變化和人類活動(dòng)干擾的大背景下，干旱、洪澇、暴雨等極端天氣頻發(fā)[1-2]。就我國(guó)水資源短缺、供水矛盾突出的西北干旱區(qū)而言[3-4]，局地地區(qū)暴雨-洪水時(shí)有發(fā)生，特別是局地短歷時(shí)強(qiáng)降水引發(fā)的區(qū)域性洪水，在復(fù)雜的地形地貌下易形成泥石流或堰塞湖，給人民、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)帶來(lái)重大災(zāi)難[5-6]。例如，1964年發(fā)生于蘭州西固的“7·20”馬兒溝暴雨性泥石流，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失；2010年發(fā)生于舟曲縣的“8·7”特大型暴雨性泥石流，流經(jīng)的居民區(qū)被瞬間夷為平地，造成重大社會(huì)損失[7-8]。即使在西北地區(qū)曾開(kāi)創(chuàng)世界泥石流防治工程先例的隴南市，至今仍面臨著遭受泥石流的威脅。因此，探究暴雨—洪水發(fā)生的頻率、原因及造成的后果對(duì)防洪減災(zāi)工作具有重要意義。

八寶河流域位于我國(guó)西北部祁連山腹地[9-10]，據(jù)實(shí)地考察，其下游牛心山段的構(gòu)造地貌、流水地貌、風(fēng)蝕地貌與冰川地貌形成了復(fù)雜的高山、盆地、峽谷，是泥石流的易發(fā)地段[11]。據(jù)調(diào)查顯示，歷史上曾發(fā)生多次暴雨性泥石流，這對(duì)經(jīng)濟(jì)造成了較大的損失。如：1974年7月2日發(fā)生的牛心山深水槽溝泥石流曾導(dǎo)致八寶河改道南移[12]；2021年7月22日，以祁連縣城駐地八寶鎮(zhèn)為暴雨中心，再次爆發(fā)局地暴雨-洪水，街區(qū)多處進(jìn)水，牛心山深水槽溝、小東索溝、干沙河溝等相繼爆發(fā)泥石流，其中深水槽溝泥石流沖毀省道302橋梁，阻斷交通，沖泄物堵塞八寶河形成堰塞湖，對(duì)下游的村鎮(zhèn)、城市、牧場(chǎng)、水利工程等安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[13]。可見(jiàn)，對(duì)八寶河發(fā)生的暴雨-洪水特性進(jìn)行調(diào)查研究迫在眉睫。因此，本文以“7·22”典型暴雨為研究事件，對(duì)暴雨的空間分布、強(qiáng)度、過(guò)程進(jìn)行分析，探討洪水特性，以期更加全面地認(rèn)識(shí)區(qū)域狀況。研究結(jié)果可為泥石流災(zāi)害預(yù)警提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

八寶河屬我國(guó)西北部黑河流域的東部子水系(如圖1(a)所示)，是黑河干流上游水量最大的支流，介于祁連山脈的托勒山與冷龍嶺之間，流域面積2511km2，河道總長(zhǎng)104km，海拔范圍約2590～4965m，4300m以上高山頂部分布有冰川，雪線約3600m左右，以上地帶分布有季節(jié)性凍土，是我國(guó)河西走廊的天然水塔之一[14-16]。祁連水文站斷面設(shè)于八寶河牛心山段下游，是八寶河水量的控制站(如圖1(c)所示)，斷面以上流域面積2452km2，控制河長(zhǎng)97km，距黑河匯合口7.0km[17]。

圖1 研究區(qū)域位置圖：(a)祁連縣、黑河、八寶河及雨量站點(diǎn)位置；(b)祁連縣各縣鄉(xiāng)人口比例；(c)八寶河流域、祁連水文站及牛心山位置；(d)牛心山及深水槽溝遙感影像，滑坡后圖片來(lái)源：https：//www.sohu.com/a/111826377_119798

降水、高山融雪及冰川融水是八寶河流域徑流的主要補(bǔ)給來(lái)源[18]。以祁連水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，多年平均徑流量4.698億m3，徑流量年際變化相對(duì)較小，年內(nèi)分配極不均勻，來(lái)水量主要集中在5—9月的汛期，其中6—8月3個(gè)月來(lái)水量占全年來(lái)水量的比重最大；多年平均氣溫2.5℃左右，多年平均降水量399.0mm，多年平均水面蒸發(fā)量779.6mm。

八寶河牛心山段位于匯合口附近，流經(jīng)牛心山北部山腳進(jìn)入八寶鎮(zhèn)穿城而過(guò)，流程約9.5km(如圖1(d)所示)。牛心山屬于現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈抬升區(qū)，相對(duì)坡降很大，山頂海拔4667m，距離最低處相對(duì)高差2021m，山體龐大，雪線以上常年冰雪覆蓋，氣溫低而空氣稀薄，陽(yáng)光輻射強(qiáng)烈。由于冰雪、暴雨侵蝕切割及太陽(yáng)輻射，山頂坡面巖體破碎風(fēng)化，多條溝谷貫穿山頂，形成季節(jié)性山洪匯入八寶河[19]，山坡危巖體或地表土石容易崩塌或滑坡，為八寶河流域泥石流重點(diǎn)多發(fā)區(qū)域，例如2015年11月18日，牛心山南坡就曾發(fā)生大約60萬(wàn)m3的大面積滑坡。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

暴雨籠罩范圍內(nèi)的雨量站點(diǎn)分別位于牛心山四周，分布于野牛溝河(黑河干流)、八寶河、討賴河、大通河流域內(nèi)，共計(jì)站點(diǎn)19個(gè)。其中八寶河流域站點(diǎn)9處，野牛溝河流域7處，大通河流域2處，討賴河流域1處，見(jiàn)表1。資料來(lái)源于張掖市水文站及祁連縣氣象局。各雨量站地理位置如圖1(a)所示。

表1 區(qū)域雨量站降水量統(tǒng)計(jì)表

1.3 研究方法

采用反距離加權(quán)(IDW)插值法分析暴雨量的空間分布特征。反距離加權(quán)插值法基于Tobler定理提出[20]，也稱為反距離倒數(shù)乘方法，是指對(duì)插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，距離越近，樣本點(diǎn)取得權(quán)重越大，反之，距離越遠(yuǎn)，權(quán)重越小[21]。

基流分割是指對(duì)一次降雨在流域出口斷面形成不同水源組成的流量過(guò)程線進(jìn)行區(qū)分的過(guò)程，又被稱為流量過(guò)程線的分割或地下水分割，其分割方法包括基流指數(shù)法(BFI法)、HYSEP法、數(shù)字濾波法等[22-23]。

2 暴雨特征

2.1 暴雨成因

由于牛心山的龐大山體及落差高度，局地環(huán)流形成的地形云常會(huì)形成以牛心山麓為中心的局地暴雨。統(tǒng)計(jì)祁連水文站多年實(shí)測(cè)降水量，夏季局地小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣形成的降水多發(fā)于14時(shí)—20時(shí)之間。受下墊面動(dòng)力和熱力作用的共同影響，2021年7月22日14時(shí)近地面1.5m處氣溫為28.9℃，午后最高氣溫高達(dá)33.0℃，接近歷史極端最高氣溫33.4℃(出現(xiàn)于2010年7月30日)，氣流被牛心山地形強(qiáng)迫抬升，導(dǎo)致空氣強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)形成強(qiáng)對(duì)流，受高空低渦和低空切變線的影響，同時(shí)借助較好地水汽輸送條件，自東南方向向八寶鎮(zhèn)移動(dòng)，受牛心山阻擋，形成了量級(jí)較大的局地暴雨。

2.2 暴雨籠罩面積及空間分布

“7·22”暴雨以牛心山麓的祁連縣八寶鎮(zhèn)為暴雨中心，主要集中在八寶河流域下游的牛心山段，西岔黑河干流及其它流域所有站點(diǎn)均未達(dá)到暴雨級(jí)別(如圖2—3所示)。根據(jù)各站點(diǎn)降雨量數(shù)值及地形走勢(shì)，結(jié)合衛(wèi)星云圖，推算出此次暴雨中心籠罩面積大致為120km2，主要覆蓋于八寶河下游段，降

圖2 “7.22”區(qū)域雨量站累計(jì)降水量

圖3 “7.22”暴雨量空間分布圖

水量較大的站點(diǎn)均分布于牛心山麓。降水過(guò)程具有覆蓋面積不大、降水強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，屬短時(shí)山區(qū)強(qiáng)降水；強(qiáng)度呈現(xiàn)“小大小”的空間分布規(guī)律，且降水在暴雨中心四周明顯減少，降水量范圍梯度變化十分明顯。其中，八寶河中、上游區(qū)域降水量較小，為小雨等級(jí)，未形成地表徑流。

2.3 暴雨頻率分析

2021年7月22日，累計(jì)降水量分別為35.0、45.2、50.6mm/1d(見(jiàn)表2)。其中，1d降水量占?xì)v年平均降水量(399.0mm)的13%，明顯大于歷史1h最大降水量(21.9mm)，為建站以來(lái)的最大值。

表2 祁連水文站“7.22”小時(shí)降水量統(tǒng)計(jì)

以年為單位，在降水量過(guò)程中按5min的倍數(shù)連續(xù)滑動(dòng)摘錄挑選，分別篩選出逐年1h、3h、6h、1d最大降水量特征值進(jìn)行最大降水量頻率分析，采用皮爾遜Ⅲ型分布曲線進(jìn)行適線擬合估算，從曲線上查得最大降水量頻率(見(jiàn)表3)。結(jié)果表明，“7.22”暴雨降水強(qiáng)度1h為200年一遇，3h為500年一遇，1d為50年一遇。可見(jiàn)，八寶河牛心山段大于1h的連續(xù)強(qiáng)降水較為少見(jiàn)。由于“7.22”暴雨1h降水量占比整場(chǎng)降水的69.2%，因此可認(rèn)為最大降水強(qiáng)度是200年一遇暴雨。

表3 祁連水文站時(shí)段最大降水量頻率成果表

3 洪水特性

3.1 產(chǎn)流機(jī)制分析

祁連縣城建于牛心山臺(tái)地，周邊植被以坡地草甸為主，根據(jù)設(shè)于牛心山附近大冬樹(shù)山的坡地土壤含水率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取7月22日—25日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(如圖4所示)。自7月22日19時(shí)暴雨發(fā)生時(shí)開(kāi)始，土壤含水率明顯增加，至23時(shí)達(dá)到峰值，之后開(kāi)始退水，至7月24日20時(shí)退至低點(diǎn)，歷時(shí)49h，形成一個(gè)完整的峰形。從實(shí)測(cè)土壤含水率過(guò)程線發(fā)現(xiàn)，地下4、10cm處含水率變化明顯，地下60、140cm處含水率為較平直的直線；經(jīng)測(cè)定發(fā)現(xiàn)地下60、140cm處的土壤溫度在降水及退水時(shí)段沒(méi)有變化，表明水量轉(zhuǎn)化發(fā)生在土壤上層，下層幾乎不受降水下滲的影響，即產(chǎn)流僅發(fā)生于包氣帶的上界面，且降水量大于下滲能力，因此在時(shí)程上形成超滲產(chǎn)流。當(dāng)坡面形成超滲產(chǎn)流時(shí)，由于牛心山地勢(shì)高、坡度大，水流匯集加速，水量集中對(duì)溝谷或坡面沖刷，形成山洪沿牛心山而下，在部分溝道沿程挾帶泥沙石塊或塌方體造成泥石流災(zāi)害。

圖4 22日至24日土壤含水率變化過(guò)程線

3.2 洪水特征分析

如圖5所示為八寶河水文站暴雨-洪水過(guò)程。由圖可知，“7.22”最強(qiáng)1h暴雨發(fā)生在18—19時(shí)，八寶鎮(zhèn)附近支溝陸續(xù)發(fā)生洪水，主河道19時(shí)開(kāi)始行洪，水位迅速上漲；流量自19時(shí)35.5m3/s起漲，22時(shí)48分—23時(shí)18分處于峰頂，瞬時(shí)洪峰流量為122m3/s，之后開(kāi)始退水，至7月24日20時(shí)退至相對(duì)低點(diǎn)，共計(jì)行洪時(shí)間49h，洪水過(guò)程表現(xiàn)為產(chǎn)流快、退水快的暴漲暴落特點(diǎn)。

圖5 祁連水文站暴雨-洪水過(guò)程

3.3 洪水總量計(jì)算

由于基流受包氣帶的調(diào)蓄作用，而流域下墊面對(duì)降水匯流產(chǎn)生阻尼和遲滯效應(yīng)，基流的流量過(guò)程線往往是平滑的曲線。分別使用Lyne-Hollick、Eckhardt、Boughton、Chapman、Chapman-Maxwell五種數(shù)字濾波法對(duì)祁連水文站水量出口斷面洪峰前后基流進(jìn)行分割(如圖6所示)，其中包括相應(yīng)降水形成的較小洪水。通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Chapman-Maxwell濾波法更能反應(yīng)出此次洪水過(guò)程退水的相應(yīng)規(guī)律，因此選擇Chapman-Maxwell濾波法進(jìn)行基流分割。

圖6 祁連水文站基流分割流量過(guò)程線

將暴雨形成的徑流過(guò)程劃分為直接徑流和基流。7月22日19時(shí)—7月24日20時(shí)期間，實(shí)測(cè)斷面洪水總量為787.0萬(wàn)m3，濾波法分割的相應(yīng)基流量為525.6萬(wàn)m3，其中分割壤中流為158.7萬(wàn)m3；直接產(chǎn)生的表層徑流量約為261.4萬(wàn)m3，折合暴雨范圍內(nèi)表層徑流深21.8mm，這是致災(zāi)的主要來(lái)源。

3.4 最大洪峰流量分析

“7·22”洪水由流域內(nèi)局部暴雨形成，屬小流域坡面匯流，由于相繼爆發(fā)的泥石流使洪水的匯流條件受到破壞，因此可認(rèn)為洪水與暴雨同頻率。經(jīng)勘測(cè)，較大的泥石流匯流溝為牛心山北麓深水槽溝，發(fā)生的黏性泥石流在20時(shí)左右到達(dá)溝口，沖毀物及泥石流體在八寶河谷堆積成堰，并形成面積約0.031km2的堰塞湖。由于堆積物較為松散，隨即形成潰口，經(jīng)當(dāng)?shù)夭块T搶險(xiǎn)疏通，24日10時(shí)堰塞湖水體完全回歸河道，至24日20時(shí)河道退水至相對(duì)穩(wěn)定的基流狀態(tài)。

堰塞湖對(duì)洪水總量計(jì)算影響有限，但卻改變了出口水文斷面的洪水峰形。此外，干沙河溝、小東索溝發(fā)生泥石流的時(shí)間與深水槽溝相近，規(guī)模較小，但都對(duì)匯流出口的水文斷面瞬時(shí)最大流量有一定影響且無(wú)法還原計(jì)算。一般情況下，八寶河局地暴雨形成的洪峰在出口斷面表現(xiàn)為相對(duì)孤立的單式峰形，漲落前后流量基本持平，即流域內(nèi)其它區(qū)域未發(fā)生暴雨-洪水。祁連水文站斷面前期水流平穩(wěn)，流量為23.0m3/s，因此以斷面最大瞬時(shí)流量減去起漲前基流量作為本場(chǎng)暴雨在出口斷面形成的最大洪峰(99.0m3/s)。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究針對(duì)2021年“7·22”八寶河牛心山段的特大暴雨進(jìn)行了研究，分析了“7·22”暴雨的成因、籠罩面積、空間分布及頻率，探討了暴雨洪水特性。結(jié)果表明：八寶河牛心山段2021年的“7·22”特大暴雨為200年一遇，其過(guò)程具有覆蓋面積不大、降水強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，覆蓋區(qū)域降水梯度明顯，呈現(xiàn)“小大小”的空間分布，具有明顯的突發(fā)性和地帶性。該場(chǎng)暴雨在出口斷面形成的最大洪峰流量為99.0m3/s，共計(jì)行洪時(shí)間49h，洪水過(guò)程表現(xiàn)為產(chǎn)流快、退水快的暴漲暴落特點(diǎn)，形成的表層徑流量是泥石流災(zāi)害的搬運(yùn)介質(zhì)及激發(fā)條件。由于特殊的地形，牛心山段暴雨形成的洪水匯流速度迅速，表層水流行洪較快，因此建議相關(guān)部門在今后的工作中及時(shí)加密觀測(cè)次數(shù)，做好防范工作，當(dāng)出口水文斷面水流出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)考慮泥石流、滑坡的影響。