臨洮縣小流域暴雨洪水調查分析

茍 斌，張 燕

（甘肅省臨洮水文站,甘肅 臨洮 730500）

1 自然概況

臨洮縣位于洮河下游,地處黃土高原與青藏高原的交匯地帶,黃河上游最大的支流洮河穿城而過,隴西盆地西緣,青藏高原東邊,屬黃土丘陵溝壑區第四副區。南北狹長,地勢由東南向西北傾斜,海拔在1730 m～3670 m之間,境內以黃土地貌為主,洮河谷地二、三級階地地勢平坦、地貌完整[1]。

臨洮縣屬溫帶大陸性氣候,四季分明,夏無酷暑,冬無嚴寒,年平均氣溫7℃,年平均降雨量317 mm～760 mm之間,70%以上的降水集中在7月、8月、9月三個月[1],蒸發量在1400 mm以上。

2 河流水系

洮河是黃河上游最大的支流,洮河從海巔峽入臨洮,于茅籠峽出境流入劉家峽水庫,縱貫9個鄉鎮115 km,流域面積2649 km2,多年平均流量138 m3/s[1],河道比降2.8‰。谷寬灘多,兩岸為黃土丘陵,植被較差,水土流失較重,水量增加少,而含沙量增加較快,洪水量大,河床不太穩定[2]。臨洮縣境內的河流均屬于黃河流域洮河水系,主要河流有洮河一級支流冶木河、漫壩河、東峪溝、三岔河、廣通河、大碧河、中鋪溝等。

3 暴雨調查分析計算

3.1 暴雨成因

2022年6月25 日下午,由于連續的高溫炎熱天氣,導致臨洮縣上營鄉、中鋪鎮、辛店鎮、新添鎮等地區上空大氣中的層結處于不穩定狀態,空氣中不斷向上攀升的暖空氣與上方的冷空氣相互碰撞,使得暖空氣進入大氣層而形成對流現象,從而形成強烈的對流,進而產生雷暴現象。在極端天氣的影響下,25日13時～22時,臨洮縣普降大到暴雨。由于大碧河、中鋪溝流域面積小,河床坡降大,溝道植被差,匯流時間短,從而形成洪澇災害。此次調查共收集到106站點的降雨資料,通過對106個站點的代表性和資料可靠性分析,最終采用99個站點的降水數據,據此繪制了此次降水量等值線圖。降水量等值線圖見圖1。

圖1 臨洮縣“20220625”暴雨等值線圖

3.2 暴雨強度時空分布

從收集到的站點降水資料來看,此次降水于6月25日13時開始,至26日8時結束,歷時19個小時。降水主要集中在25日13∶00～16∶00之間,3 h最大降水量63.1 mm,累計最大降水量為73.7 mm,出現在上營站。3小時次大降水量55 mm,累計次大降水量為62.4 mm,出現在中鋪溝康家溝站。其余降水集中在25日17∶00～20∶00之間。上營鄉上營村站累計降水量73.7 mm、康家溝站累計降水量62.4 mm、上營站（瓦窯灘村）累計降水量58.6 mm,達到暴雨級別。有21個站點降水在25 mm～50 mm之間,達到大雨級別,有33個站點降水量在10 mm～25 mm之間,為中雨級別。暴雨中心監測站點降水量累積曲線見圖2。

圖2 監測站點降水量累積曲線

從暴雨等值線圖分析,6月25日降雨主要集中在小溝上游上營鄉上營村附近和中鋪鎮中鋪溝上游康家溝附近,籠罩面積不是太大,且山區居民住戶稀少。根據等值線法計算出上營村和康家溝平均暴雨量和點面系數等特征值。

式中：a1,a2….an為各相鄰等雨量線間的面積,hm2或km2；p1,p2....pn為各相鄰等雨量間的雨深平均值,mm；A為暴雨籠罩面積,hm2或km2；P為流域平均降水量,mm。

通過量算分析,得出上營暴雨中心和康家溝暴雨中心點面系數。暴雨面～深關系見圖3。

3.3 暴雨稀遇程度分析

通過調查走訪從村民的描述得知,本次降雨歷時短,來勢快,強度大。由于暴雨中心地處山嶺溝壑的地方,該地區地表裸露,植被差,因而產流快。通過查閱《甘肅省暴雨洪水圖集》（1988年）及水文部門雨量站相關資料進行重現期分析,兩個暴雨中心與東峪溝臨洮雨量站在同一區域,流域氣候特征相近,周邊環境和下墊面條件基本相同,也出現過同級別的降雨,且臨洮雨量站有1966年～2021年,56年長系列降水實測資料。因此,暴雨中心各站點24 h暴雨重現期采用臨洮雨量站最大24 h點雨量進行頻率計算,通過頻率計算,繪制P-Ⅲ型曲線,進行適線[3],其24 h平均降水量Pa為50.2 mm,Cv值為0.52,Cs/Cv值為3.5,分析方法是在Cs=3.5 Cv的P-Ⅲ型曲線Kp值表查讀最大24 h點雨量。并結合經驗頻率法和現場暴雨調查走訪,最后確定此次兩個降水中心的重現期都為5年一遇。臨洮雨量站24 h降水量頻率表和歷年24 h最大降水量頻率曲線圖4。

圖4 臨洮雨量站24 h降水量頻率曲線圖

4 洪水調查分析計算

4.1 調查河段基本情況

調查組通過實地調查,選取了本次受災較重洪水較大的中鋪溝、大碧河2條溝道進行洪水調查,通過現場實地勘查,選取距離溝道較近、河段較為順直、洪水較為集中的中鋪溝大石頭村河段、大碧河三十墩河段、大碧河黨家墩村河段、小溝田家河河段分別進行洪水調查。洪水調查斷面位置見圖5、圖6。

圖5 大碧河洪水調查斷面位置圖

圖6 中鋪溝洪水調查斷面位置圖

4.2 洪峰流量計算

調查組按照《水文調查規范》（SL 196-2015）技術要求,暴雨洪水調查河段洪峰流量采用比降面積法[4],對臨洮縣大碧河三十墩、中鋪溝大石頭村2個河段分別進行洪水調查,根據調查組現場走訪調查及斷面測量結果,再依據調查河段斷面形狀及河床組成等,參照《甘肅省天然河道糙率表》,大碧河三十墩河段和中鋪溝大石頭村河段選取0.035的糙率,計算通過調查河段的洪峰流量。計算采用曼寧公式：

式中：Q為洪峰流量,m3/s；n為糙率（取值參考天然河流河道糙率表及流域特征）；A為河道過水面積,m2；R為河道水力半徑,m；S為河道水面比降。

經分析計算大碧河三十墩河段最大洪峰流量為19.8 m3/s,中鋪溝大石頭村河段最大洪峰流量為59.0 m3/s。洪峰流量計算表見表1。

表1 洪峰流量計算表

表2 大碧河三十墩河段洪水過程線計算表

4.3 洪水總量計算

根據調查訪問情況,對各調查斷面洪水過程進行分析統計,大碧河三十墩洪水歷時為3 h,中鋪溝康家溝洪水歷史為2.5 h。根據《甘肅省暴雨洪水圖集》,用推理公式法推求地表洪水過程,根據典型洪峰流量過程線百分數分配表,確定洪水歷時、洪峰流量典型過程線坐標百分比。洪水過程線計算表見2和表3。

表3 中鋪溝康家溝河段洪水過程線計算表

根據暴雨等值線圖,采用等值線法計算洪水調查河段的暴雨覆蓋面積,根據洪峰流量與暴雨覆蓋面積之比計算各斷面的洪峰流量模數,根據洪水過程計算總洪水,徑流深度根據總洪水與暴雨覆蓋面積之比計算,根據暴雨等值線,采用面積加權法計算平均暴雨。臨洮縣“20220625”調查河段暴雨洪水特征值統計見表4。

表4 臨洮縣“20220625”暴雨洪水特征值

4.4 洪水重現期分析

調查組對大碧河三十墩斷面和中鋪溝大石頭村斷面洪峰流量采用P-Ⅲ曲線進行頻率計算,通過多方驗證,經過分析論證并結合實地調查情況,最終確定各斷面洪水重現期。大碧河三十墩調查斷面有1987年～2021年35年的長系列定點洪水調查資料,以及1920年、1938年、1967年、1970年的大洪水實測資料。中鋪溝大石頭村斷面下游800 m為巴下橋定點洪水調查斷面,兩斷面距離很近,集水面積基本相同,可采用巴下橋定點洪水調查斷面資料,該斷面有1987年～2021年35年的長系列資料和1967年大洪水實測資料。根據這些洪水調查資料進行頻率分析計算,繪制P-Ⅲ頻率曲線,最后確定大碧河三十墩河段推算的洪峰流量重現期為3年一遇,中鋪溝大石頭村河段推算的洪峰流量重現期為5年一遇。

5 結論

5.1 暴雨成果分析

通過對所收集的資料進行降雨等值線繪制,從面上對收集的各站點資料進行分析對比,通過調查走訪,對出現的奇異值并進行分析研判,去偽存真。調查組通過現場勘查、走訪、計算,并通過水務、氣象等部門,對所調查的成果進行分析驗證,一直認為本次調查成果真實可靠,分析結論符合實際情況。

5.2 洪水成果分析

通過現場查勘,調查組分析判斷,洪痕代表性比較好；所選定的調查河段順直,斷面較平整,河床穩定,受人類活動的影響比較小,可以使用比降面積法。所確定的洪水水面線和調查河段河底坡降線基本平行,符合一般河流的變化規律,經分析比降合理。依據《水文調查規范》（SL 196-2015）對洪水痕跡可靠程度的要求,最后確定所指認的洪痕為可靠。調查人員根據斷面河床組成、順直、規整程度,和外界影響因素等,依照《甘肅省天然河道糙率表》對調查河段分別選取了糙率,利用比降面積法推算流量,最后評定洪峰流量結果計算可靠。通過對每個調查斷面利用比降面積法計算的洪峰流量從上至下,逢溝插入,面上分析得知,此次洪水調查成果合理可靠,符合洪水演變規律。調查人員通過走訪、勘查、計算,一致認定此次調查結果從調查斷面選定、洪痕指認、不同河段糙率選用、洪峰流量量級計算,均通過認真分析,最終確定調查成果,成果評定為可靠。