宁家河春季融雪型洪水特征及成因分析

2022-10-13詹超

黑龙江水利科技 2022年9期

詹超

(新疆石河子水文勘测局，新疆石河子 832000)

宁家河位于新疆天山北玻，属于典型的内陆干旱气候，流域多年降水量均值为390mm，春季和夏季降水量占全年降水量的比重超过70%，流域多年平均蒸发量为1560mm[1]。春季和夏季是宁家河流域洪水发生的主要季节，流域洪水呈现明显的季节变化特征，春季洪水主要来自于冰川及高山融雪或者融雪和降水所产生的混合型洪水，夏季洪水主要为高山融雪和山区暴雨所产生。流域高山冰川以及积雪融化是形成融雪型洪水的主要原因，天山高区随着气温升高使得大面积积雪融化，从而产生洪水。宁家河融雪型洪水出现时间不仅与融雪量级有关还与气温具有直接关联。宁家河融雪型洪水具有明显的日周期变化过程，洪量主要和前期温度回升速率及高温持续时间具有较高的相关性，流域融雪型洪水一般具有洪峰流量较低，但具有较大的洪水总量的特点。宁家河流域是融雪型洪水多发河流，春季融雪型洪水产生的洪涝灾害较大，因此亟需对其春季融雪洪水特征及主要成因进行分析，从而提出相对应的防御措施。近些年来，宁家河洪水特征分析取得一定研究成果，但对于其春季融雪型洪水研究还较少，尤其是对其洪水成因还为进行系统分析，为此文章结合结合八家户水文站实测洪水资料及附近气象站点资料，对宁家河融雪洪水特征及主要成因进行探讨。研究成果对于宁家河春季融雪型洪水防御措施制定具有重要参考价值。

1 研究资料及方法

1.1 研究资料

为对宁家河春季融雪型洪水特征进行系统分析，结合宁家河流域水文站建站以来至2020年的水文气象观测数据，对其春季融雪洪水特征及主要成因进行系统分析。

1.2 研究方法

宁家河流域春季融雪洪水主要对其不同年代际变化特征进行分析，并对其变化趋势采用非线性趋势检验方法进行检验，分析其不同年代际春季融雪洪水量级变化趋势的显著性，并对其不同年代际春季融雪洪量进行线性递增或递减倾向率的统计，在春季融雪洪水变化特征分析的基础上，结合流域内的气象观测站积雪、气温、降雨观测数据，对流域春季融雪洪水变化成因进行探讨。其中变化趋势检验采用M-K非线性趋势检验方法进行分析，该方法针对样本序列X进行秩序样本序列的构造：

(1)

式中：Sk为样本xi>xj在第i时刻的累加值；k为样本序列总个数；ri为构造的第i个秩序样本序列值，其计算方程为：

(2)

假定各年份春季融雪洪量序列属于独立随机的时间序列，对其进行统计量U的计算：

(3)

式中：E(Sk)为Sk序列的均值；var(Sk)为Sk序列的方差。当样本序列满足相互独立条件时，其均值和方差计算方程分别为：

(4)

(5)

当达到90%的显著性检验水平时，其统计量U值的为1.96，当统计量U值低于该临界值，则表明趋势不明显，若高于该临界值，则表示趋势明显。若统计值为正表示为递增趋势，若统计值为负表示为递减趋势。

2 宁家河春季融雪洪水特征

2.1 年尺度融雪洪水变化特征

结合宁家河流域水文站不同年代际春季融雪洪水实测和调查数据，对其年尺度春季融雪洪水特征进行统计，结果如表1所示。

表1 宁家河水文站1959年-2020年不同年代际春季融雪洪量变化特征

从宁家河不同年代际春季融雪洪量可看出，不同年代际春季融雪洪量的均值达到0.229×108m3，总体呈现递增变化，线性倾向率为0.08×108m3/10a。通过突变特征分析，宁家河春季融雪洪水量突变年份主要出现在1990年以后，春季融雪洪量突变主要原因在于春季气温的递增，通过对应宁家河流域气象站年平均气温的分析，宁家河流域年平均气温递增率为0.35℃/10a，气温的升高，使得宁家河流域高山和冰川积雪融化量增多，增加春季融雪洪水量，由于气温突变也在1990年左右，也使得宁家河流域春季融雪洪水突变特征点主要在1990年左右。

2.2 年尺度融雪洪水变化趋势检验

在年尺度春季融雪洪水变化特征分析的基础上，文章采用M-K非线性变化趋势检验方法对其变化趋势进行检验，检验结果如表2所示。

表2 宁家河水文站1959-2020年不同年代际春季融雪洪量变化趋势检验结果

从宁家河水文站1959-2020年不同年代际春季融雪洪量变化趋势检验结果可看出，除去1959-1969年以及2010-2020年外，宁家河流域其他年代际春季融雪洪量均呈现递增变化，趋势检验统计值均为正值，宁家河流域总体春季融雪洪量呈现弱递增变化，其趋势检验统计值为0.995，低于1.96的临界值。1959-1969年及2010-2020年其春季融雪洪量呈现弱递增变化，这主要和这两个年代际气温有所降低有关。

3 宁家河春季融雪主要成因分析

3.1 积雪影响成因分析

结合宁家河流域水文站和气象站数据，对流域不同场次春季融雪洪水及其对应的积雪深进行统计分析，结果如表3所示，并对各场次洪水开始时间和融雪开始时间进行分析，如表4所示。

表3 不同年份宁家河流域春季融雪洪水及积雪深对应关系

从不同年份宁家河流域春季融雪洪水及积雪深对应关系可看出，宁家河流域春季融雪洪水积雪深度最大值为40.3cm，最大积雪深均值为31.7cm，存在较为明显的差异。一般而言可以将宁家河流域积雪深度>25cm作为发生春季融雪型洪水的主要判定指标较为适宜。从宁家河流域融雪初始日期和洪水开始时间的天数间隔可看出，最大间隔天数为6天，最下间隔天数为1d，间隔天数在4d的洪水场次数占总洪水场次数的比例可达到82%,流域内场次较大洪水一般间隔天数在2d以内，流域春季融雪型洪水存在时间滞后的变化特点。

3.2 气温影响成因分析

在积雪因子分析的基础上，针对宁家河流域春季不同场次融雪洪水，统计分析其洪水开始时间和气温超过0℃日期之间的关系，如表4所示，并统计当期平均气温和洪峰期之间的关系，如表5所示。

表4 不同年份宁家河流域春季融雪洪水开始时间和气温超过0℃日期的对应关系

表5 不同年份宁家河流域春季融雪洪洪峰期和气温超过5℃日期的对应关系

从不同年份宁家河流域春季融雪洪水开始时间和气温超过0℃日期的对应关系可看出，各场次洪水开始日期和气温高于0℃日期有所差异，最高间隔天数为14d，最小间隔天数为1d，平均间隔天数为6d，宁家河流域春季融雪洪水和气温高于0℃日期总体相关性不高。从宁家河春季融雪洪水场次洪峰期和气温温高于0℃日期相关关系分析可看出，融雪量最高值出现在洪峰期，洪峰出现时间流域当期气温较高，平均气温高于4℃，春季首次平均气温高于5℃的日期和洪峰期较为接近，间隔时间均值总体低于3d。