小理河流域下墊面變化對(duì)產(chǎn)洪產(chǎn)沙的影響分析

狄艷艷 許坷艷 劉龍慶

摘要：分析了小理河李家河站1980年以來(lái)次洪水量、次洪沙量、徑流系數(shù)等要素的變化，并采用次洪對(duì)比分析法和統(tǒng)計(jì)法，對(duì)“20170726”與“19940810”兩場(chǎng)暴雨洪水以及歷史暴雨洪水進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：小理河流域經(jīng)過(guò)多年的治理，下墊面條件改善，流域調(diào)蓄能力增強(qiáng)，在一般降雨條件下，減水減沙效果明顯;若遇類似2017年“7·26”那樣的大范圍強(qiáng)降雨，雖然削峰減沙作用明顯，但是仍可能產(chǎn)生較大洪水。

關(guān)鍵詞：暴雨洪水;流域調(diào)蓄;減水減沙;下墊面;小理河流域

中圖分類號(hào)：S157.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 流域概況

小理河發(fā)源于陜西省橫山縣艾好峁村，由西向東流經(jīng)高鎮(zhèn)、水地灣、殿市等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在陜西省子洲縣殿市鎮(zhèn)李家河村匯入大理河，屬山溪性河流[1]。小理河全長(zhǎng)69km，河道平均比降為0.55%，流域面積820.8km²，河網(wǎng)密度為0.116km/km²，流域不均勻系數(shù)為0.053，流域形狀系數(shù)為0.00312[2]。該流域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，冬春干寒、雨量稀少，夏季炎熱、雨量較多且多為短歷時(shí)暴雨[3]。

小理河控制水文站為李家河站，控制面積為807km²，本文采用雨量資料涉及6個(gè)雨量站，分別為艾好峁、大路峁臺(tái)、高鎮(zhèn)、李家坬、石窯溝、李孝河，平均權(quán)重面積為134.5km²。站網(wǎng)分布見(jiàn)圖1。

2 歷史洪水分析

1980-2016年，李家河站洪峰流量大于200m³/s的洪水共有19場(chǎng)，20世紀(jì)80年代洪水最少（僅1989年發(fā)生一次，洪峰流量只有208m³/s）;90年代發(fā)生洪水9次，占洪水總次數(shù)的47%;2000-2010年發(fā)生洪水7次，占洪水總次數(shù)的37%。

2.1 次洪水量和次洪沙量變化情況

按照面積包圍法計(jì)算次洪水量和沙量，19場(chǎng)洪水平均次洪水量為483萬(wàn)m³，次洪沙量為348萬(wàn)t。圖2和圖3分別為李家河站次洪水量、次洪沙量歷年變化情況，可以看出次洪水量和次洪沙量減少趨勢(shì)明顯，特別是2007年以來(lái)發(fā)生的5場(chǎng)洪水（編號(hào)為15～19），平均次洪水量和次洪沙量分別僅為231萬(wàn)m³、150萬(wàn)t。

2.2 徑流系數(shù)

徑流系數(shù)是指某一流域任意時(shí)段內(nèi)的徑流深度（或徑流總量）與同時(shí)段內(nèi)的降水深度（或降水總量）的比值。徑流系數(shù)反映在降水量中有多少水變成了徑流，也綜合反映流域內(nèi)自然地理要素對(duì)徑流的影響，此外在一定程度上也可反映水利水保措施的有效攔蓄能力。徑流系數(shù)年際和年代的變化在一定程度上可反映水利水保措施在減洪減沙方面的作用。

李家河站19場(chǎng)洪水中，次洪徑流系數(shù)變化范圍為0.04～0.30，平均為0.16，其中1995年洪水最大，為0.30，而2009年洪水最小，僅為0.04（見(jiàn)圖4）。從洪水分期來(lái)看，1980-1999年10次洪水的次洪徑流系數(shù)平均為0.18，2000年以來(lái)9次洪水的次洪徑流系數(shù)平均為0.12。

從以上分析可以看出，次洪水量、次洪沙量以及徑流系數(shù)的年代和年際變化均呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明小理河流域經(jīng)過(guò)多年的治理，下墊面產(chǎn)流產(chǎn)沙條件發(fā)生了較大改變，特別是一般降雨情況下的減水減沙效果更為明顯。

3 洪水對(duì)比分析

通過(guò)次洪對(duì)比分析法，對(duì)次洪過(guò)程中降雨量、降雨強(qiáng)度、暴雨中心位置以及洪峰流量、次洪水量、最大含沙量、次洪輸沙量、次洪產(chǎn)流系數(shù)等要素的對(duì)比分析，也可發(fā)現(xiàn)下墊面變化及對(duì)刁、理河流域暴雨產(chǎn)洪產(chǎn)沙的影響。

3.1 “20170726”洪水與“19940810”洪水

2017年7月25-26日，小理河流域發(fā)生大范圍強(qiáng)降雨。受暴雨影響，李家河站發(fā)生洪峰流量為997m³/s的洪水，稱為“20170726”暴雨洪水，為1994年以來(lái)最大洪水。1994年8月10日，該流域也發(fā)生過(guò)一次暴雨洪水，稱為“19940810”暴雨洪水，洪峰流量為1310m³/s，為1980年以來(lái)最大洪水。

3.1.1 降雨方面

“20170726”暴雨的暴雨中心位于流域下游，降雨量大于100mm的籠罩面積約為450km²o其中李家河站累計(jì)降雨218.9mm、李家坬站218.4mm、李孝河站179.8mm，流域面平均降雨量118.0mm。主雨時(shí)段在26日0-2時(shí)，歷時(shí)2h，降雨強(qiáng)度達(dá)30mm/h。

“19940810”暴雨的暴雨中心位于流域中上游，降雨量大于100mm的籠罩面積約400km²，其中李家圾站累計(jì)降雨143.2mm、艾好峁站累計(jì)降雨139.3mm、高鎮(zhèn)站累計(jì)降雨116.3mm，流域面平均降雨量93.2mm。主雨歷時(shí)6h，降雨強(qiáng)度為10mm/h左右（見(jiàn)表1和圖5）。

總體來(lái)講，“20170726”暴雨與“19940810”暴雨相比，降雨量偏大約47.5%，暴雨強(qiáng)度更大，暴雨中心更靠近下游，在下墊面不變的情況下，更利于產(chǎn)洪產(chǎn)沙。

3.1.2 洪水方面

根據(jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計(jì)計(jì)算，“20170726”洪水和“19940810”洪水的特征值見(jiàn)表2。

從表2可以看出，“20170726”洪水與"19940810"洪水相比，洪峰流量減小了23.9%，次洪水量增加了25%，最大含沙量減小了70.3%，次洪沙量減少了76.1%，產(chǎn)流系數(shù)略偏小。

從兩次雨洪過(guò)程線（見(jiàn)圖6）來(lái)看，“20170726”洪水和“19940810"洪水相比，雖然前者較后者降雨強(qiáng)度明顯偏大，而后者洪水過(guò)程線卻更為尖瘦，說(shuō)明流域下墊面條件的變化影響了流域的調(diào)蓄作用。

通過(guò)對(duì)以上兩次洪水的降雨、降雨強(qiáng)度以及洪峰流量、次洪水量、最大含沙量、次洪沙量等特征值的對(duì)比分析不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的流域治理，小理河流域下墊面條件發(fā)生了很大變化，流域調(diào)蓄能力增強(qiáng)，減沙效果明顯，降雨的侵蝕能力減弱。在“20170726”暴雨這種強(qiáng)降雨情況下，雖然減水效果不甚明顯，卻削減了洪峰，特別是大大減少了次洪產(chǎn)沙量。

3.2 “20170726”洪水與與歷史洪水相比

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)法對(duì)“20170726”洪水與1980年以來(lái)19場(chǎng)洪峰流量大于200m³/s的洪水進(jìn)行比較，結(jié)果同樣顯示次洪最大含沙量顯著減小，次洪產(chǎn)沙量明顯減少。

3.2.1 次洪最大含沙量變化情況

根據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)，1980年以來(lái)的19次暴雨洪水過(guò)程中，李家河站最大含沙量一般都在400kg/m³以上，有的甚至超過(guò)800kg/m³，平均為732kg/m³。而“20170726”洪水中最大含沙量卻僅為260kg/m³，較歷次洪水平均最大含沙量偏小64.5%，明顯偏離平均情況（見(jiàn)圖7），說(shuō)明流域產(chǎn)沙能力顯著降低。

3.2.2 次洪沙量變化情況

1980-2016年，李家河站歷次洪水的次洪水量與次洪沙量具有較好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.95。按此計(jì)算，“20170726”洪水次洪沙量應(yīng)在1400萬(wàn)t左右，而實(shí)際僅為366萬(wàn)t，偏少70%以上（見(jiàn)圖8）。

從以上分析可以看出，小理河流域經(jīng)過(guò)多年的治理，下墊面產(chǎn)流產(chǎn)沙條件有很大變化，即便在“20170726”暴雨這種強(qiáng)降雨情況下，由暴雨引起的產(chǎn)沙量也大幅減少，流域內(nèi)土壤侵蝕程度明顯減輕。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)小理河李家河站1980年以來(lái)次洪水量、次洪沙量、徑流系數(shù)等要素變化情況的分析，并將“20170726”暴雨洪水與“19940810”暴雨洪水以及歷史暴雨洪水對(duì)比分析，認(rèn)為小理河流域經(jīng)過(guò)多年的治理，下墊面條件改善，流域調(diào)蓄能力增強(qiáng)，在一般降雨條件下，減水減沙效果明顯。但是，若遇類似2017年“7·26”那樣的大范圍強(qiáng)降雨，則雖然削峰減沙作用明顯，但是仍可能產(chǎn)生較大洪水。建議進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)黃河流域黃土高原地區(qū)下墊面變化條件下暴雨產(chǎn)洪產(chǎn)沙規(guī)律的分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]許珂艷，王秀蘭.趙書華，等.小理河流域產(chǎn)匯流特征變化[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2004，15（3）：24-27.

[2]趙衛(wèi)民，王慶齋，劉曉偉，等.黃河流域典型水文分區(qū)產(chǎn)流研究[M].鄭州：黃河水利出版社，2006：77-78.

[3]史輔成，易元俊，高治定.黃河流域暴雨與洪水[M].鄭州：黃河水利出版社，1997：3-6.