2015年湫水河洪水雨洪关系变化分析

2016-02-15常远远黄河水文水资源科学研究院

河南水利与南水北调 2016年11期

□常远远 □张展 □李焯 □杨凯（黄河水文水资源科学研究院）

2015年湫水河洪水雨洪关系变化分析

□常远远 □张展 □李焯 □杨凯（黄河水文水资源科学研究院）

2015年8月黄河中游湫水河支流出现稀遇暴雨洪水，林家坪水文站出现1990年以来第二大洪峰流量1400m3/s。与该支流20世纪60-80年代的13场大洪水对比分析表明，现状下垫面变化对暴雨产洪产沙具有明显的削减作用，相同降雨条件下的洪峰流量、次洪洪量和次洪输沙量均较历史洪水减小。通过雨洪关系分析，与20世纪60-80年代相比，现状下垫面变化对洪量的削减程度约55%，对沙量的削减程度约70%。

雨洪关系；下垫面；湫水河

0 引言

2015年8月1日20时至2日6时，黄河中游头道拐至龙门区间支流湫水河出现强降雨过程，林家坪水文站8月2日6时出现洪峰流量1 400 m3/s的洪水，为1990年以来的第二大洪峰流量。文章通过与该支流历史洪水雨洪关系的对比，本次分析暴雨洪水的产洪产沙特点。

1 暴雨洪水综述

本次暴雨历时10 h，流域面平均雨量为58.30 mm，50 mm等值线笼罩面积占流域面积的82.70%；暴雨中心位于程家塔站，次雨量为68.80 mm；主要降雨时段为8月1日21-22时和2日3-4时，2 h的累积面平均雨量为39.10 mm，占次雨量的67.10%；暴雨中心最大2小时雨量为55.60 mm，占暴雨中心次雨量的80.80%。

1.1 该次暴雨的特点：

雨区分布范围覆盖整个湫水河流域，雨量、雨强均较大，主雨时段集中。

湫水河林家坪站2015年8月2日3时54分开始起涨，6时24分洪峰流量1 400 m3/s，6时54分达到最大含沙量428 kg/m3，8月2日12时30分基本退水。本次洪水历时近9 h，次洪洪量为1595万m3，次洪输沙量638万t。

1.2 本次洪水特点

一是洪峰量级高，为1990年以来的第二大洪峰流量，仅次于2010年“9.19”洪水（2300 m3/s）；二是起涨迅速，涨洪历时仅2.50 h；三是次洪洪量和次洪沙量较大，均为1990年以来的第三大值，仅次于2010年“9.19”洪水（3 117万m3、1 256万t）和2 000年“7.8”洪水（1 687万m3、710万t）。

2 与历史洪水雨洪关系对比分析

选取林家坪站20世纪60-80年代洪峰流量＞1 400 m3/s的历史洪水13场，与2015年洪水进行对比，分析现状下垫面条件下的场次洪水降雨产流产沙关系变化。分别统计各场次降雨和洪水特征值，其中，洪水特征值包括洪峰流量Q、次洪洪量W、次洪输沙量S等；降雨特征值包括面平均雨量P、暴雨中心雨量Pmax、暴雨中心最大2 h雨强Imax等。

黄土高原区产流产沙受雨量和雨强的共同影响，特别是在产沙的过程中，雨强的作用更为显著。姚文艺等认为，“黄土高原一定下垫面条件下的侵蚀产沙取决于降雨强度与降雨量的同构作用。降雨强度决定了超渗产流过程，降雨量决定了径流量大小及土壤饱和度，因此，从降雨动力因素来说，侵蚀产沙的潜势取决于雨量雨强的同构作用。为此，定义雨强与雨量的乘积为表征降雨侵蚀能力（PI）的新概念”[1]。

降雨侵蚀能力PI的组合中，雨量特征一般用次降雨的面平均雨量P或暴雨中心雨量Pmax表示；雨强特征选取了暴雨中心最大2 h雨强Imax，代表主要降雨时段的雨强。将组合后的P×Imax和Pmax×Imax，分别与Q、W、S建立相关关系。

从物理成因角度分析，与Q最为密切的降雨特征为Pmax×Imax，与W和S关系最为密切的降雨特征为P×Imax，具体情况见图1～图3。由于洪峰流量随机性较大，因此与降雨特征值的相关性均较差，未能建立雨洪关系线；洪量、沙量与降雨特征值建立的雨洪关系线相关性尚可，R2分别为0.67和0.65。

图1 湫水河场次洪水的Q～Pmax×Imax相关关系图

图2 湫水河场次洪水的W～P×Imax相关关系图

由图1、2、3可见，2015年洪水的雨洪关系与历史洪水相比，其数据点位于点群下方，说明现状下垫面相同降雨条件的洪峰流量、洪量和沙量均较历史明显减少。其中洪量和沙量的数据点则明显偏小于历史洪水点群，而洪峰流量的数据点尚位于历史洪水点群内，说明下垫面变化对洪峰流量的削减程度较小。将2015年洪水的降雨特征值带入洪量和沙量的相关方程后，计算出本次暴雨在20世纪60-80年代平均下垫面水平下的理论洪量和沙量分别为3 512万m3和2 161万t，而实测洪量和沙量分别仅为1 595万m3和638万t，说明现状下垫面较60-80年代下垫面削减洪量约55%，削减沙量约70%。

3 成果讨论

将本次湫水河雨洪关系分析成果与近期相关成果进行对比讨论。徐建华等对黄河中游河口镇至龙门区间18条主要支流（包括湫水河）的下垫面变化对洪水的洪量和沙量影响分析表明，在2000-2006年平均下垫面条件较天然时期平均削减洪量67.60%，削减沙量70.10%[2]；金双彦等对黄河中游孤山川支流（与湫水河位于同一干流河段）超定量洪水的洪量和沙量的影响因素分析中表明，2000-2010年降雨在天然时期下垫面条件下的平均次洪洪量和沙量分别为1 704万m3和806万t，而实测平均洪量和沙量仅455万m3和121万t，即2000-2010年下垫面削减洪量约73%，削减沙量约85%[3]。

以上成果与文章采用的基本思路和方法相同，然而，除徐建华等关于削减沙量的结论与文章接近外，其他成果的结论均明显大于文章。分析其原因，首先是历史洪水选取的时段不同，文章选取的13场历史洪水为20世纪60-80年代，期间，流域上已经存在人类活动所导致的下垫面变化，而其他成果则选取了近似为“天然时期”的历史洪水；其次，2015年洪水为1990年以来实测洪峰流量第二大的洪水，而以往的研究成果表明，下垫面变化对大洪水的影响程度较小，而对中小洪水的影响程度较大[4]。同时，考虑到洪水的随机性，因而出现了上述差异。