內(nèi)蒙古西柳溝流域致洪暴雨特征分析

王金花，張榮剛，李占斌，何 琦

(1.西安理工大學(xué) 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048； 2.黃河水利科學(xué)研究院 水利部黃土高原水土流失過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003； 3.黃河水利委員會 水文局，河南 鄭州 450004)

西柳溝流域?yàn)辄S河內(nèi)蒙古河段直接入黃的十大孔兌(蒙古語，意為山洪溝)之一，發(fā)源于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市東勝區(qū)泊爾江海子鎮(zhèn)對壕鄉(xiāng)張家山頂，流經(jīng)泊爾江海子鎮(zhèn)和展旦召、昭君墳鄉(xiāng)，由昭君墳鄉(xiāng)河畔村流入黃河，全長106.5 km，流域總面積1 356.3 km2[1]。流域內(nèi)地勢南高北低，上游為黃土丘陵溝壑區(qū)，地面物質(zhì)由砂巖和砒砂巖組成，植被覆蓋度低，極易產(chǎn)生水土流失；中游為庫布齊沙漠地帶，多為流動(dòng)性沙丘，風(fēng)蝕嚴(yán)重；下游為沖洪積扇區(qū)，地勢較為平坦。該流域位于西北類雨型暴雨中心區(qū)，多暴雨和特大暴雨。流域內(nèi)上中游強(qiáng)烈的水土流失為主汛期高含沙洪水的形成提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，而突發(fā)性暴雨則為泥沙運(yùn)移提供了動(dòng)力條件。據(jù)實(shí)測資料，有觀測記錄以來西柳溝流域先后發(fā)生過9次泥沙堵塞黃河干流事件，給當(dāng)?shù)孛癖娚a(chǎn)生活和西柳溝入黃口對岸的包鋼生產(chǎn)造成重大影響[2-3]。本研究利用降雨、徑流觀測資料，分析西柳溝流域重大洪澇災(zāi)害事件發(fā)生時(shí)的降雨，尤其是致洪暴雨特征，闡述了流域性大暴雨及持續(xù)性暴雨對洪澇災(zāi)害的影響。

1 西柳溝流域降雨、徑流資料

1.1 水文、氣象站點(diǎn)

西柳溝流域把口站為龍頭拐水文站，龍頭拐水文站設(shè)于1960年4月，1961年9月停測，1962年7月20日恢復(fù)觀測；1965年6月1日向下游遷移70 km，為龍頭拐(二)站；1969年7月1日又向上游遷移1.5 km，為龍頭拐(三)站；1991年11月11日再向下游遷移5 km至龍頭拐(四)站(E109°46′、N40°21′，距入黃口24 km，后簡稱龍頭拐)。本次研究采用龍頭拐、柴登壕、高頭窯3個(gè)氣象站的降雨資料，徑流資料采用的是龍頭拐水文站資料，資料時(shí)段為建站以來至2010年，數(shù)據(jù)資料來源于《中華人民共和國水文年鑒》。氣象、水文站點(diǎn)分布情況見圖1。

圖1 西柳溝流域氣象、水文站點(diǎn)分布情況

1.2 降雨、徑流特征

根據(jù)西柳溝流域內(nèi)氣象站降水量資料及把口站流量資料，分析降水量、徑流量變化特征(圖2)，結(jié)果表明流域內(nèi)降水主要集中在汛期，其中6—9月降水量占年降水量的80.4%；7—9月徑流量較大，約占年徑流量的63.6%。從降水量與徑流量的分布情況可以看出，西柳溝流域徑流主要來自降雨產(chǎn)流。

圖2 西柳溝流域多年平均月降水量、徑流量

與降水量的年內(nèi)分配規(guī)律不同，徑流量的分布呈現(xiàn)雙峰型，即除了主汛期7—9月份存在一個(gè)產(chǎn)流高峰期以外，3月份還有一個(gè)產(chǎn)流高峰期，3月份流域產(chǎn)流量占到全年產(chǎn)流量的10.4%，僅次于主汛期9月份的產(chǎn)流量。初步分析，一方面由于西柳溝流域位置偏北，冬季形成的積雪在3月份開始融化產(chǎn)生融雪徑流；另一方面可能是由于其特殊的流域下墊面因素造成的，中游的庫布齊沙漠降雨入滲量比黃土區(qū)大，降雨就地入滲，產(chǎn)流過程延長，冬季河流水位較低時(shí)沙漠中的水分補(bǔ)給河流，致使河流徑流量增大。有關(guān)這方面的深層次原因，目前正在開展地表覆沙層對降雨產(chǎn)流過程影響的試驗(yàn)研究。

2 西柳溝流域致洪暴雨特征分析

西柳溝雖為季節(jié)性河流，年平均徑流量較其他入黃一級支流小，但汛期來水來沙往往會給黃河干流帶來嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害及淤積堵塞，這與該流域位于我國西北類雨型暴雨中心區(qū)、黃河流域夏季易澇區(qū)[4-5]，以及流域徑流主要來自于暴雨產(chǎn)流等特征有著重要的關(guān)系。本研究以西柳溝流域?yàn)槔?，分析流域?nèi)由汛期突發(fā)性暴雨造成嚴(yán)重洪澇災(zāi)害、黃河干流淤堵年份[3，6-7]降雨的時(shí)空變化特征，重點(diǎn)闡述了災(zāi)害發(fā)生時(shí)流域暴雨強(qiáng)度、歷時(shí)以及暴雨中心分布情況。

2.1 全流域短歷時(shí)、高強(qiáng)度降雨易造成山洪暴發(fā)

以西柳溝山洪暴發(fā)引起黃河干流堵塞較嚴(yán)重的1966年8月13日和1989年7月21日降雨(表1)為例，分析洪水暴發(fā)前流域內(nèi)各氣象站統(tǒng)計(jì)的致洪暴雨特征。

從表1可以看出，整個(gè)流域在兩次降雨過程中無論上游、中游還是下游均有較強(qiáng)的降雨，均出現(xiàn)了6 h降水量大于140 mm的特大暴雨，特大暴雨發(fā)生時(shí)段平均降雨強(qiáng)度在20 mm/h以上。根據(jù)各個(gè)氣象站降雨摘錄資料，1966年8月13日上游柴登壕氣象站6.6 h降雨量144.4 mm，達(dá)到特大暴雨強(qiáng)度等級；中游高頭窯氣象站6.4 h降雨量73.5 mm，達(dá)到大暴雨等級；把口站龍頭拐洪澇災(zāi)害發(fā)生前(時(shí))7 h降雨量為18.2 mm。尤其是1989年7月21日，整個(gè)流域普降暴雨，上游柴登壕氣象站6 h降雨量66.9 mm，最大降雨強(qiáng)度12.2 mm/h；中游高頭窯氣象站降雨量最大，6 h降雨量147.0 mm，達(dá)到特大暴雨等級；把口站龍頭拐4 h降雨量77.1 mm，最大降雨強(qiáng)度39.5 mm/h。結(jié)合洪澇災(zāi)害資料和上述分析可以看出，全流域高強(qiáng)度、短歷時(shí)暴雨是洪澇災(zāi)害發(fā)生的重要誘發(fā)因素之一。

表1 1966-08-13、1989-07-21西柳溝流域致洪暴雨特征

2.2 連續(xù)性降雨是引發(fā)山洪的另一重要原因

除短歷時(shí)高強(qiáng)度降雨外，連續(xù)性降雨也是引發(fā)山洪的一個(gè)重要原因。如1998年7月12日和2003年7月29日的兩次山洪致使黃河干流淤堵嚴(yán)重，但是就當(dāng)日降雨而言，降雨強(qiáng)度及范圍均較小，前期的連續(xù)性降雨才是導(dǎo)致流域山洪暴發(fā)的重要原因。根據(jù)山洪暴發(fā)前流域內(nèi)各站觀測降雨歷時(shí)及降雨量(表2)，對兩次洪澇災(zāi)害發(fā)生前期的降雨洪水過程分析如下：

表2 西柳溝流域持續(xù)性降雨歷時(shí)及降雨量

1998年7月12日西柳溝流域中下游地區(qū)有降雨過程發(fā)生，高頭窯站觀測降雨量為68.4 mm(10 h)，龍頭拐站觀測降雨量為39.9 mm(14 h)，平均降雨強(qiáng)度為2.3～6.9 mm/h，單次降雨強(qiáng)度并不算太大。但是之前的7月5日全流域范圍內(nèi)普降大雨，其中高頭窯站和龍頭拐站均有大暴雨發(fā)生，次降雨量分別達(dá)到103.8、100.1 mm，形成了最大流量1 470 m3/s、最大含沙量682 kg/m3的洪峰過程，洪水過程持續(xù)到7月6日20時(shí)。在此次全流域范圍內(nèi)的降雨過程中下墊面基本飽和，隨后的12日降雨下墊面損耗量較少、直接產(chǎn)流量大，形成了最大流量1 700 m3/s、最大含沙量764 kg/m3的洪水過程，致使大量洪水泥沙集中而下，造成黃河干流淤積嚴(yán)重。此外，2003年7月30日西柳溝流域泥沙淤堵黃河干流也是由于前期持續(xù)性降雨過程造成的，7月16日至26日流域內(nèi)持續(xù)性降雨使得龍頭拐水文站在7月25日20時(shí)20分形成1 100 m3/s的洪峰，7月29日至30日的持續(xù)降雨形成了最大流量2 410 m3/s的洪峰過程。

2.3 暴雨中心出現(xiàn)在中游極易引發(fā)洪澇災(zāi)害

對流域產(chǎn)流過程來說，在面平均降雨量相同的情況下，一般實(shí)際匯流面積越大，產(chǎn)流量越大；同樣，在產(chǎn)流面積相同的情況下，面平均降雨量越大，產(chǎn)流量也越大。根據(jù)西柳溝流域洪澇災(zāi)害記載資料及降雨量資料，分析發(fā)生淤堵黃河干流重大事件前(時(shí))流域內(nèi)各氣象站降雨特征，探討致洪暴雨的空間分布特征。圖3為西柳溝流域發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害年份各氣象站降雨量分布圖。從圖中可以看出，在歷次洪澇災(zāi)害發(fā)生時(shí)，流域內(nèi)無論是上游、中游還是下游都有明顯的降雨過程；從降雨量的等級上來看，歷次洪澇過程中以高頭窯站降雨量最大，均達(dá)到暴雨或者特大暴雨等級，即呈現(xiàn)出以中游高頭窯為暴雨中心的空間分布格局。

圖3 重大洪澇災(zāi)害年份西柳溝流域各氣象站降雨分布

3 結(jié) 語

基于西柳溝流域水沙災(zāi)害嚴(yán)重的現(xiàn)狀，在分析有觀測資料以來流域內(nèi)降雨產(chǎn)流輸沙關(guān)系的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)剖析了洪澇災(zāi)害嚴(yán)重年份致洪暴雨時(shí)空分布特點(diǎn)，結(jié)果表明西柳溝流域發(fā)生黃河干流淤堵時(shí)的致洪暴雨主要有3個(gè)特點(diǎn)：一是全流域上、中、下游有高強(qiáng)度短歷時(shí)大暴雨及特大暴雨；二是前期有連續(xù)性大雨及暴雨；三是呈現(xiàn)以高頭窯為暴雨中心的空間分布格局。該研究成果可為黃河寧蒙河段水資源合理調(diào)度及重大災(zāi)害預(yù)測預(yù)警提供重要參考。

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