寧家河春季融雪型洪水特征及成因分析

詹 超

(新疆石河子水文勘測局，新疆 石河子 832000)

寧家河位于新疆天山北玻，屬于典型的內(nèi)陸干旱氣候，流域多年降水量均值為390mm，春季和夏季降水量占全年降水量的比重超過70%，流域多年平均蒸發(fā)量為1560mm[1]。春季和夏季是寧家河流域洪水發(fā)生的主要季節(jié)，流域洪水呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征，春季洪水主要來自于冰川及高山融雪或者融雪和降水所產(chǎn)生的混合型洪水，夏季洪水主要為高山融雪和山區(qū)暴雨所產(chǎn)生。流域高山冰川以及積雪融化是形成融雪型洪水的主要原因，天山高區(qū)隨著氣溫升高使得大面積積雪融化，從而產(chǎn)生洪水。寧家河融雪型洪水出現(xiàn)時間不僅與融雪量級有關(guān)還與氣溫具有直接關(guān)聯(lián)。寧家河融雪型洪水具有明顯的日周期變化過程，洪量主要和前期溫度回升速率及高溫持續(xù)時間具有較高的相關(guān)性，流域融雪型洪水一般具有洪峰流量較低，但具有較大的洪水總量的特點。寧家河流域是融雪型洪水多發(fā)河流，春季融雪型洪水產(chǎn)生的洪澇災(zāi)害較大，因此亟需對其春季融雪洪水特征及主要成因進行分析，從而提出相對應(yīng)的防御措施。近些年來，寧家河洪水特征分析取得一定研究成果，但對于其春季融雪型洪水研究還較少，尤其是對其洪水成因還為進行系統(tǒng)分析，為此文章結(jié)合結(jié)合八家戶水文站實測洪水資料及附近氣象站點資料，對寧家河融雪洪水特征及主要成因進行探討。研究成果對于寧家河春季融雪型洪水防御措施制定具有重要參考價值。

1 研究資料及方法

1.1 研究資料

為對寧家河春季融雪型洪水特征進行系統(tǒng)分析，結(jié)合寧家河流域水文站建站以來至2020年的水文氣象觀測數(shù)據(jù)，對其春季融雪洪水特征及主要成因進行系統(tǒng)分析。

1.2 研究方法

寧家河流域春季融雪洪水主要對其不同年代際變化特征進行分析，并對其變化趨勢采用非線性趨勢檢驗方法進行檢驗，分析其不同年代際春季融雪洪水量級變化趨勢的顯著性，并對其不同年代際春季融雪洪量進行線性遞增或遞減傾向率的統(tǒng)計，在春季融雪洪水變化特征分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合流域內(nèi)的氣象觀測站積雪、氣溫、降雨觀測數(shù)據(jù)，對流域春季融雪洪水變化成因進行探討。其中變化趨勢檢驗采用M-K非線性趨勢檢驗方法進行分析，該方法針對樣本序列X進行秩序樣本序列的構(gòu)造：

(1)

式中：Sk為樣本xi>xj在第i時刻的累加值；k為樣本序列總個數(shù)；ri為構(gòu)造的第i個秩序樣本序列值，其計算方程為：

(2)

假定各年份春季融雪洪量序列屬于獨立隨機的時間序列，對其進行統(tǒng)計量U的計算：

(3)

式中：E(Sk)為Sk序列的均值；var(Sk)為Sk序列的方差。當(dāng)樣本序列滿足相互獨立條件時，其均值和方差計算方程分別為：

(4)

(5)

當(dāng)達到90%的顯著性檢驗水平時，其統(tǒng)計量U值的為1.96，當(dāng)統(tǒng)計量U值低于該臨界值，則表明趨勢不明顯，若高于該臨界值，則表示趨勢明顯。若統(tǒng)計值為正表示為遞增趨勢，若統(tǒng)計值為負表示為遞減趨勢。

2 寧家河春季融雪洪水特征

2.1 年尺度融雪洪水變化特征

結(jié)合寧家河流域水文站不同年代際春季融雪洪水實測和調(diào)查數(shù)據(jù)，對其年尺度春季融雪洪水特征進行統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。

表1 寧家河水文站1959年-2020年不同年代際春季融雪洪量變化特征

從寧家河不同年代際春季融雪洪量可看出，不同年代際春季融雪洪量的均值達到0.229×108m3，總體呈現(xiàn)遞增變化，線性傾向率為0.08×108m3/10a。通過突變特征分析，寧家河春季融雪洪水量突變年份主要出現(xiàn)在1990年以后，春季融雪洪量突變主要原因在于春季氣溫的遞增，通過對應(yīng)寧家河流域氣象站年平均氣溫的分析，寧家河流域年平均氣溫遞增率為0.35℃/10a，氣溫的升高，使得寧家河流域高山和冰川積雪融化量增多，增加春季融雪洪水量，由于氣溫突變也在1990年左右，也使得寧家河流域春季融雪洪水突變特征點主要在1990年左右。

2.2 年尺度融雪洪水變化趨勢檢驗

在年尺度春季融雪洪水變化特征分析的基礎(chǔ)上，文章采用M-K非線性變化趨勢檢驗方法對其變化趨勢進行檢驗，檢驗結(jié)果如表2所示。

表2 寧家河水文站1959-2020年不同年代際春季融雪洪量變化趨勢檢驗結(jié)果

從寧家河水文站1959-2020年不同年代際春季融雪洪量變化趨勢檢驗結(jié)果可看出，除去1959-1969年以及2010-2020年外，寧家河流域其他年代際春季融雪洪量均呈現(xiàn)遞增變化，趨勢檢驗統(tǒng)計值均為正值，寧家河流域總體春季融雪洪量呈現(xiàn)弱遞增變化，其趨勢檢驗統(tǒng)計值為0.995，低于1.96的臨界值。1959-1969年及2010-2020年其春季融雪洪量呈現(xiàn)弱遞增變化，這主要和這兩個年代際氣溫有所降低有關(guān)。

3 寧家河春季融雪主要成因分析

3.1 積雪影響成因分析

結(jié)合寧家河流域水文站和氣象站數(shù)據(jù)，對流域不同場次春季融雪洪水及其對應(yīng)的積雪深進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表3所示，并對各場次洪水開始時間和融雪開始時間進行分析，如表4所示。

表3 不同年份寧家河流域春季融雪洪水及積雪深對應(yīng)關(guān)系

表3 不同年份寧家河流域春季融雪洪水及積雪深對應(yīng)關(guān)系

表3 不同年份寧家河流域春季融雪洪水及積雪深對應(yīng)關(guān)系

從不同年份寧家河流域春季融雪洪水及積雪深對應(yīng)關(guān)系可看出，寧家河流域春季融雪洪水積雪深度最大值為40.3cm，最大積雪深均值為31.7cm，存在較為明顯的差異。一般而言可以將寧家河流域積雪深度>25cm作為發(fā)生春季融雪型洪水的主要判定指標(biāo)較為適宜。從寧家河流域融雪初始日期和洪水開始時間的天數(shù)間隔可看出，最大間隔天數(shù)為6天，最下間隔天數(shù)為1d，間隔天數(shù)在4d的洪水場次數(shù)占總洪水場次數(shù)的比例可達到82%,流域內(nèi)場次較大洪水一般間隔天數(shù)在2d以內(nèi)，流域春季融雪型洪水存在時間滯后的變化特點。

3.2 氣溫影響成因分析

在積雪因子分析的基礎(chǔ)上，針對寧家河流域春季不同場次融雪洪水，統(tǒng)計分析其洪水開始時間和氣溫超過0℃日期之間的關(guān)系，如表4所示，并統(tǒng)計當(dāng)期平均氣溫和洪峰期之間的關(guān)系，如表5所示。

表4 不同年份寧家河流域春季融雪洪水開始時間和氣溫超過0℃日期的對應(yīng)關(guān)系

表5 不同年份寧家河流域春季融雪洪洪峰期和氣溫超過5℃日期的對應(yīng)關(guān)系

從不同年份寧家河流域春季融雪洪水開始時間和氣溫超過0℃日期的對應(yīng)關(guān)系可看出，各場次洪水開始日期和氣溫高于0℃日期有所差異，最高間隔天數(shù)為14d，最小間隔天數(shù)為1d，平均間隔天數(shù)為6d，寧家河流域春季融雪洪水和氣溫高于0℃日期總體相關(guān)性不高。從寧家河春季融雪洪水場次洪峰期和氣溫溫高于0℃日期相關(guān)關(guān)系分析可看出，融雪量最高值出現(xiàn)在洪峰期，洪峰出現(xiàn)時間流域當(dāng)期氣溫較高，平均氣溫高于4℃，春季首次平均氣溫高于5℃的日期和洪峰期較為接近，間隔時間均值總體低于3d。

3.3 降水影響成因分析

結(jié)合寧家河流域氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)，對其初春降水和洪水之間的相關(guān)性進行分析，結(jié)果如表6所示，并統(tǒng)計分析寧家河流域各場次洪水洪峰期和降水之間的關(guān)系，結(jié)果如表7所示。

表6 寧家河流域不同年份春季融雪洪水期與初春降水期關(guān)系

表7 寧家河流域不同年份春季融雪洪峰與初春降水期關(guān)系

初春降水對寧家河流域春季融雪洪水產(chǎn)生一定程度影響，尤其初春第一場降水或者雨夾雪對于徑流補給影響加大，也可以提高融雪速率，通常情況下寧家河流域春季第一場降雨或者雨夾雪后能較快形成融雪洪水過程，從洪水初始日期和降水日期可看出，在1～3d內(nèi)多數(shù)降水過程后既可以產(chǎn)生對應(yīng)的洪水。

3.4 凍土深度影響成因分析

結(jié)合寧家河流域凍土深度深度觀測數(shù)據(jù)，對其不同洪水年份凍土深與春季洪水的關(guān)系進行分析，并對其變化序列進行T檢驗，分析結(jié)果如表8所示。

表8 不同洪水年份寧家河流域凍土深度影響分析

洪水年份寧家河流域凍土深度平均值可達到130cm左右，而在非洪水年份，其凍土深度均值可達到86.5cm左右。冬季凍土深度對于寧家河流域春季融雪性洪水具有較好的關(guān)聯(lián)性。從T檢驗結(jié)果可看出，T檢驗值看通過置信水平為0.05的檢驗，冬季凍土深度是春季融雪洪水特征主要影響因子。

4 結(jié) 論

1)寧家河流域春季融雪洪水積雪深度最大值為40.3cm，最大積雪深均值為31.7cm，存在較為明顯的差異。一般而言可以將寧家河流域積雪深度超過25cm作為發(fā)生春季融雪型洪水的主要判定指標(biāo)較為適宜。

2)各場次洪水開始日期和氣溫高于0℃日期有所差異，最高間隔天數(shù)為14d，最小間隔天數(shù)為1d，平均間隔天數(shù)為6d，寧家河流域春季融雪洪水和氣溫高于0℃日期總體相關(guān)性不高。

3)寧家河流域春季第一場降雨或者雨夾雪后能較快形成融雪洪水過程，從洪水初始日期和降水日期可看出，在1～3d內(nèi)多數(shù)降水過程后既可以產(chǎn)生對應(yīng)的洪水。