台风“利奇马”暴雨引发的流域产流产沙特征——以山东省临朐县为例

乔殿新, 冯 伟, 王 飞, 李斌斌, 韩剑桥, 李 琦, 王国振

(1.水利部 水土保持监测中心, 北京 100053; 2.水利部 水土保持司, 北京 100053;3.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 4.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100)

全球气候变化背景下，我国特大暴雨的发生频次和影响范围显著增加[1]。极端暴雨形成的洪水灾害，严重威胁居民人身财产安全，导致工农业与城市经济遭受重大损失。如何应对极端暴雨条件下的洪水灾害是中国乃至世界未来长期时间内需要面对的新问题[2]。研究极端暴雨下不同尺度流域的产流产沙特征对于极端暴雨致灾机理与防灾减灾具有重要的理论与实践意义。

在特定降雨条件下，流域产流、产沙及其之间的相互关系是流域综合治理的理论基础。流域的产流产沙是一个非常复杂的物理过程，是降水和流域下垫面相互作用的结果[3]，人类活动主要通过改变土地利用方式和实施水土保持措施来改变流域下垫面，使流域的水文泥沙过程发生显著变化[4-6]。目前通过一些经验模型、随机模型和确定性模型已经可以进行流域产流产沙的预测[7-9]，其中利用SWAT，MIKE，WEPP，RUSLE等模型来模拟流域的产流产沙过程已经在实际应用中得到了广泛的认可[10-14]，但是这类方法对资料要求性较高并且计算量较大。而通过使用水沙关系来模拟流域的水沙过程，则回避了很多细节问题，对资料的要求较低[15]。冉大川等[16]使用历史水沙关系预测佳芦河流域“2012-7-27”暴雨洪水输沙量，发现水土保持措施使得暴雨输沙量减少了64.3%；赵阳等[17]以无定河“7·26”暴雨为例，发现在相似降雨的条件下，水土保持措施使得暴雨洪水输沙量减少了53%；师长兴等[18]通过水沙关系曲线分析了黄河内蒙古段不同时期的洪水输沙量特征。由此可知，基于水沙关系的场次洪水输沙量预测可以在宏观角度对场次洪水输沙量有一个相对准确的预测。

为此，本文以2019年8月10日发生于山东省潍坊市临朐县的“利奇马”台风暴雨洪水事件为对象，通过降雨洪水泥沙数据进行产流产沙特征分析，提出基于水沙关系的场次洪水输沙量预测方法，以期为应对类似暴雨引发的洪水灾害和水土流失防治提供理论依据。

1 研究区概况

台风“利奇马”于8月10日1：45在浙江省温岭市城南镇沿海登陆，登陆时中心附近最大风力有16级(52 m/s)，又于8月11日20：50在山东省青岛市黄岛区沿海再次登陆，登陆时中心附近最大风力有9级(23 m/s)，此后其移入渤海海面并不断减弱，最终于8月13日14：00被中央气象台停止编号。“利奇马”在山东造成的过程降雨强度位列历史记录第一，在8月11日20:00—12日16:00过境期间，潍坊市临朐降水量385.4 mm，打破了当地单日降水极值纪录，黄山水文站测得的洪峰流量高达2 210 m3/s，是自1988年以来记录的最大洪峰流量[19]。

临朐县隶属山东省潍坊市(北纬36°04′—36°37′，东经118°14′—118°49′)，属典型的北方丘陵轻度侵蚀区，暖温带亚湿润大陆性季风气候，多年平均降水量695 mm。弥河由南向北而过，县内流域面积1 438 km2，占临朐县总面积的78.5%。

黄山水文站控制流域位于弥河上游，流域面积为375 km2(图1)。该流域多年平均降水量707 mm，多年平均径流深156 mm，折合年径流量1.23亿m3。流域内主要由棕壤、褐土覆盖，植被覆盖度较低，水土流失严重，河流输沙量大。辛庄观测站控制流域面积为3.58 km2。该流域多年平均降水量592 mm，多年平均径流深 254 mm，降雨主要集中在夏季。流域内主要由棕壤土覆盖，土壤孔隙度大，胶结力弱，易被雨水冲蚀。

图1 研究区位置

2 研究方法

2.1 降雨数据来源与处理

在暴雨中心落区选取曾家沟、花峪和辛庄子3个雨量站(图1)的降雨观测资料分析本次台风暴雨的降雨过程。3个雨量站的降雨过程资料及辛庄子雨量站的24 h最大降雨量资料来源于山东省潍坊市水文局。主要参考了次降雨量、最大24 h降雨和日降雨量几个指标(表1)。其中曾家沟雨量站的次降雨量、最大24 h降雨量、最大日雨量等值均为最大，花峪次之，辛庄子最小。利用python软件对降雨数据数据进行处理，计算出最大瞬时雨强；采用皮尔逊Ⅲ型曲线计算该次暴雨中24 h最大降雨量的重现期[19]。

表1 暴雨中心3个雨量站降雨数据 mm

2.2 洪水泥沙资料的获取与处理

洪水泥沙资料来源于潍坊市水文局收集的辛庄观测站和黄山水文站的实测数据，主要参考了洪峰流量、沙峰、洪水径流总量、洪水泥沙总量、径流模数、产沙模数等指标(表2)。

表2 黄山水文站与辛庄观测站洪水泥沙数据

其中流量数据来源于实测值，洪水径流总量根据公式(1)计算:

(1)

式中:V为洪水径流总量；Qn为一个时间点的实测流量；Qn+1为后一个时间点的实测流量(m3/s);ΔT为两个时间点的时间差(s)。将所有测量时段内的洪水径流量累加得到洪水径流总量。

洪水泥沙总量采用公式(2)计算：

(2)

式中:Pn为一个时间点的输沙率；Pn+1为后一个时间点的输沙率(kg/s)；ΔT为两个时间点的时间差(s)。将所有时间段的泥沙量累加起来,得到测量时间内洪水泥沙总量。

根据潍坊市水文局所提供的历年洪峰流量数据(1988—2019年)，使用皮尔逊Ⅲ型曲线计算本次暴雨洪峰流量的重现期；采用Excel分别对2019年和2018年的两次洪水的水沙数据进行拟合，以得出两次洪水的水沙关系并进行对比，判断该区域在暴雨洪水的条件下水沙关系是否稳定，提出基于水沙关系的黄山水文站场次洪水输沙量预测方法。

3 结果与分析

3.1 暴雨特征分析

图2显示了曾家沟、花峪、辛庄子雨量站在本次暴雨期间的降雨过程。可以看出，暴雨开始于2019年8月10日上午9：00左右，持续近48 h，直至2019年8月12日上午8：00才基本停止。曾家沟为本次“利奇马”台风的暴雨中心，最高瞬时雨强发生于8月11日08：08：43—08：08：50，为240 mm/h。离曾家沟较远的花峪最高瞬时雨强为144 mm/h，与曾家沟最强瞬时雨强时间接近，但瞬时雨强明显弱于曾家沟。离暴雨中心最远的辛庄子最高瞬时雨强为138 mm/h，发生为8月11日04：42：49—04：43：27。

暴雨中心的曾家沟降雨量达到570.6 mm，占多年平均降雨量的82%。花峪暴雨过程与曾家沟相似，降雨量为552.2 mm。辛庄子的降雨过程弱于曾家沟与花峪，其降雨量为502.0 mm。辛庄子雨量站24 h最大降雨量为434.0 mm，根据皮尔逊Ⅲ型曲线计算重现期，达到了50 a一遇(图3)。

3.2 小流域产流产沙特征分析

由图4可知，辛庄观测站场次洪水径流总量为123万 m3，径流模数为34.36万 m3/km2；实测洪峰40.96 m3/s，洪峰模数为11.44 m3/(s·km2)，发生于8月11日6：00。辛庄观测站次洪水泥沙总量为4 600 t，沙峰为283.41 kg/s，产沙模数为1 285 t/km2；最大含沙量为6.92 kg/m3，发生于8月11日6：00。对比洪水过程和泥沙过程，发现洪峰与沙峰出现的时间一致，洪水过程线与泥沙过程线基本重合，说明该地区的流量与输沙率呈正比关系[20]。

3.3 流域水沙输移特征

3.3.1 洪水泥沙分析 图5为黄山水文站洪水和泥沙过程线图。受台风“利奇马”影响，黄山水文站实测洪峰2 210 m3/s，发生于8月11日06：30。该洪峰是黄山水文站自1988年建站以来的最大流量。图6为洪峰频率分析图，2019年8月“利奇马”台风造成的洪峰流量重现期为33.3 a一遇。黄山水文站最大沙峰为18 634 kg/s，出现在8月11日06：30。平均含沙量为3.34 kg/m3，最大含沙量为11.4 kg/m3；输沙量为36.23万 t，输沙模数为966 t/km2。本次暴雨洪水的输沙量是多年平均输沙量(19.5万t)的1.65倍。

图2 各雨量站的瞬时雨强

基于黄山水文站洪水过程数据计算可知，8月10—18日测量时段内，黄山水文站径流量高达1.02亿m3。该径流量是2018年同期台风“摩羯”与“温比亚”叠加引起的洪水径流量0.68亿m3的2.32倍。

图3 辛庄子雨量站24 h最大降雨量频率曲线

图4 辛庄观测站洪水过程线和泥沙过程线

图5 黄山水文站2019年“利奇马”台风暴雨洪水过程线和泥沙过程线

图6 黄山水文站2019年洪峰频率曲线

3.3.2 水沙关系分析 从图7中可以看出，2018年夏季汛期期间临朐共经历3次洪水，除6月份第一次洪水过程中沙峰略提前于洪峰，表现出一定的水沙异步特性外，第二次和第三次洪水过程中洪峰与沙峰基本同时出现，表明该地区的水沙关系较为稳定，可以基于水沙关系曲线进行场次暴雨洪水输沙量的预测[21]。

图7 黄山水文站2018年洪水泥沙过程

图8绘制了2019年“8·10”特大暴雨洪水和2018年第3次洪水(最大一次洪水)的流量—输沙率曲线关系图，代表了特大洪水条件下的水沙关系。可以看出，当流量<1 380 m3/s时，2018年与2019年两次洪水的水沙关系曲线几乎重合，表明流量与输沙率之间有较好的相关关系；当流量>1 380 m3/s时，与输沙率的相关关系减弱，可能是因为8月11日凌晨上游一建筑工地因水位上涨，导致大量的浆砌石、沙土等建筑材料被洪水冲走，引起该时段的洪水输沙率明显提高。总体来看，两次洪水的水沙关系曲线R2均大于0.90，并且洪峰与沙峰出现时间一致，表明该地区的水沙关系稳定。按照2018年的水沙关系与2019年的径流量，估算出黄山水文站的场次暴雨洪水输沙量约为40万t，与实测值相差9.4%，说明在该区域可以采用历史暴雨洪水泥沙关系估算洪水输沙量。

图8 2018-2019年黄山水文站水沙关系

4 结论与建议

(1) 曾家沟为本次“利奇马”台风造成暴雨的中心，暴雨开始于2019年8月10日上午9：00左右，持续将近48 h，降雨量达到570.6 mm，占多年平均降雨量的82%。

(2) 2019年8月10—17日辛庄控制站次洪水径流总量为123万 m3，径流模数为34.36万 m3/km2；实测洪峰40.96 m3/s，洪峰模数为11.44 m3/(s·km2)。辛庄观测站次洪水泥沙总量为4 600 t，产沙模数为1 285 t/km2；最大含沙量为6.92 kg/m3。

(3) 黄山水文站实测洪峰2 210 m3/s，是自1988年建站以来的最大洪峰，重现期为33.3 a一遇。径流量高达1.02亿 m3，占年最大径流量1.58亿 m3(2018年)的64.6%。该径流量是2018年同期台风“摩羯”与“温比亚”叠加引起的洪水径流量0.68亿 m3的2.32倍。最大沙峰为18 634.29 kg/s，输沙量约为36.23万 t，是多年平均输沙量(19.5万t)的1.65倍。

(4) 按照2018年的水沙关系与2019年的径流量，估算出黄山水文站的场次暴雨洪水输沙量为40万t，与实测值相差9.4%，说明在该区域暴雨洪水中水沙关系稳定，可以采用历史暴雨洪水泥沙关系估算暴雨洪水输沙量。

(5) 由台风引起的暴雨洪涝、水土流失会对当地城镇居民人身财产安全和生产建设项目形成严重威胁，应采取适应性对策提升区域灾害风险防范和综合适应能力，有效地减轻该地区因台风暴雨所造成的灾害损失。