史玉品，靳莉君，劉 靜，劉龍慶，張防修

(1.黃河水利委員會水文局，河南 鄭州 450004；2.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003)

1 研究背景

渭河流域不僅在黃河開發(fā)治理中占有重要地位，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和西部大開發(fā)中也具有重要作用和戰(zhàn)略意義[1]。由于近年來氣候變化及人類活動的影響，渭河流域徑流量和輸沙量明顯減少，水沙平衡遭到破壞，泥沙淤積致使下游河床抬升，行洪能力逐漸降低，小水大災(zāi)頻率提高。河道的洪水演進(jìn)特性因河道條件的變化也相應(yīng)地發(fā)生了較大改變[2-4]。為了更深入地認(rèn)識渭河洪水特性，許多學(xué)者從洪水來源與組成、洪水演進(jìn)、含沙量、水位變化、河床沖淤等方面對渭河流域發(fā)生的洪水進(jìn)行了分析，并取得了一定的成果。石長偉等[5]和寧愛琴等[6]均對“11.09” 渭河洪水的最高水位、傳播時間、削峰率等特性進(jìn)行了分析；張廣林等[7]對渭河2017年10月的洪水特性及影響進(jìn)行了分析，指出“17.10”洪水是一場典型的秋汛洪水，該洪水具有水位偏高、流速較小、傳播時間長及臨潼至華縣區(qū)間沿程加水較多的特性；石長偉等[8]重點(diǎn)分析了渭河“18.07”洪水的特性及未控支流對干流洪峰的影響。但這些研究的側(cè)重點(diǎn)為渭河暴雨洪水，而對產(chǎn)生降雨的天氣形勢分析較少，因此本文使用NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)逐日再分析資料，對渭河流域2019年9月持續(xù)性強(qiáng)降雨造成的渭河秋汛洪水(“2019.9”洪水)進(jìn)行天氣成因診斷分析，并在此基礎(chǔ)上研究其水沙特征及分布規(guī)律，為今后渭河水文氣象預(yù)報和水資源管理提供重要參考。

2 資料來源與研究方法

2.1 流域概況

渭河發(fā)源于甘肅省渭源縣，是黃河第一大支流，也是黃河重要的水沙來源區(qū)，流域總面積13.5×104km2。流域內(nèi)地貌比較復(fù)雜，北部為黃土高原，南部為秦嶺山脈，兩岸支流眾多，南北呈不對稱分布。流域處于干旱地區(qū)與濕潤地區(qū)的過渡帶，屬大陸性季風(fēng)氣候，降水量時空分布不均勻，東南部多于西北部，且集中在夏、秋兩季。年均氣溫為7.8～13.5℃，年均降水量為500～800 mm，年均徑流量為20×108m3。

2.2 資料來源

氣象資料來源于NCEP/NCAR提供的高度場、風(fēng)場、比濕場等逐日再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°。降雨、流量和含沙量資料均來自黃河水情查詢系統(tǒng)2019年渭河流域的報汛資料。

2.3 研究方法

使用NCEP/NCAR逐日再分析資料，在對2019年9月渭河流域持續(xù)性降雨過程中500 hPa環(huán)流形勢進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論雨區(qū)上空整層水汽通量和850 hPa低層風(fēng)場的特征，以期掌握研究期兩個降雨時段的環(huán)流背景以及水汽輸送條件。

對此次洪水過程的降雨量、流量、洪量、含沙量資料進(jìn)行統(tǒng)計計算，分析降雨的主要落區(qū)以及洪水的主要來源、組成及在河道中的演進(jìn)情況；通過與洪峰量級相近的歷史洪水比較，分析此次洪水的特征；由實(shí)測含沙量計算輸沙量，分析洪水對河道的沖刷及淤積情況。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 渭河“2019.9”洪水的氣象成因及降雨量分布

3.1.1 對流層中高層環(huán)流特征 造成此次渭河流域持續(xù)性降雨的大尺度流型為典型的“副高西北側(cè)西南氣流型”[9]，是西風(fēng)槽引導(dǎo)冷空氣東移南下與副高外圍西南暖濕氣流相互作用所致。從500 hPa平均位勢高度場和距平場分布看(圖略)，在高緯度地區(qū)，北半球極渦明顯偏強(qiáng)且南伸明顯，兩湖(貝加爾湖和巴爾喀什湖)之間為低槽并伴隨高度場負(fù)距平，槽前40°～50°N之間鋒區(qū)偏強(qiáng)、位置偏南，表示冷空氣范圍大、勢力強(qiáng)。烏拉爾山以東為寬廣的低壓槽區(qū)，中緯度環(huán)流較為平直，不斷有冷空氣分裂南下。在低緯度地區(qū)，副高較常年同期強(qiáng)度偏強(qiáng)、覆蓋面積偏大，西脊點(diǎn)異常偏西，平均位置在95°E附近(多年平均為125°E)，其北界壓在黃河下游至我國西南一帶。同時，副高位置相對穩(wěn)定，2019年9月9-10日副高從120°E以東西伸至105°E附近，11-14日基本穩(wěn)定在90°E。在這種形勢下，從黃河源區(qū)、渭河流域山西—陜西區(qū)間南部均位于西風(fēng)槽前，槽后西北氣流引導(dǎo)冷空氣東移南下[10]，與副高外圍沿孟加拉灣北上的暖濕氣流交匯，形成大范圍雨區(qū)。

3.1.2 對流層中低層環(huán)流演變 渭河流域大部屬于東亞季風(fēng)氣候影響區(qū)，根據(jù)王寶鑒等[11]的研究成果，空中水汽主要沿孟加拉灣—中南半島—東雅魯藏布江—四川盆地北側(cè)路徑輸送到該流域，并且在平均狀況下該流域是水汽“匯”，水汽通量呈輻合狀態(tài)。2019年9月9-15日渭河流域持續(xù)性降雨過程中整層積分水汽通量距平及水汽通量散度距平見圖1，同一時段850 hPa風(fēng)場風(fēng)速距平見圖2。對圖1、2進(jìn)行綜合分析可知，9月9日強(qiáng)降水發(fā)生時(圖1(a))，20°N以南地區(qū)來自阿拉伯海和孟加拉灣的偏西風(fēng)水汽輸送異常強(qiáng)盛，這支水汽向東到達(dá)110°E后轉(zhuǎn)向北，經(jīng)云貴高原進(jìn)入四川盆地，之后繼續(xù)向北輸送至黃河中游，也就是蔡英等[12]所稱“接力棒”式水汽輸送通道，四川盆地是其陸上的重要水汽補(bǔ)給地。從850 hPa風(fēng)場風(fēng)速距平上看(圖2(a))，以四川盆地為中心存在異常氣旋式環(huán)流，涇、渭河大部位于氣旋頂部，受異常東南風(fēng)控制，與此同時，其北部為偏北風(fēng)，冷暖空氣交匯在涇、渭河上空形成切變線，并造成該區(qū)域尤其是渭河中下游水汽通量異常輻合。9月9-10日，涇、渭、洛河流域及山西—陜西區(qū)間南部、三花間、汾河流域普降中到大雨，局部暴雨。隨著過程發(fā)展，11日，低層暖濕氣流輸送加強(qiáng)，導(dǎo)致研究區(qū)南部氣旋減弱消失(圖2(b))，四川盆地出現(xiàn)異常水汽通量輻散[13]，進(jìn)入渭河上空水汽輻合減弱(圖1(b))，因此雨強(qiáng)較前兩日明顯減小。從12日開始(圖2(c))，新一股冷空氣取道西路再次南下，且勢力較前一次偏強(qiáng)，黃河中游大部以及河源區(qū)南部再次發(fā)生冷暖空氣交匯區(qū)，并形成一條東北—西南向切變線。水汽源地沒有發(fā)生變化，但與前一次過程相比，20°N附近由異常偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)(圖1(c))，特別是90°E處南風(fēng)轉(zhuǎn)向明顯，從孟加拉國到我國藏東南、黃河源區(qū)一直延伸到華北地區(qū)形成了一條連續(xù)的水汽輸送輻合帶，造成12日黃河中游包括河源區(qū)大范圍降雨。之后，冷空氣南壓，降雨區(qū)也隨之東移南壓，13-14日強(qiáng)降雨主要集中在渭河中下游。至15日，渭河上空低層轉(zhuǎn)變?yōu)槭芤恢滦缘钠憋L(fēng)控制(圖2(d))，同時，水汽輸送條件變差，形成異常水汽輻散區(qū)(圖1(d))，降雨較之前明顯減弱。隨著冷空氣勢力不斷深入南下，16日開始冷暖空氣主要在渭河下游交匯。

圖1 2019年9月9-15日渭河流域持續(xù)性降雨過程中整層積分水汽通量距平及水汽通量散度距平

圖2 2019年9月9-15日渭河流域持續(xù)性降雨過程中850 hPa風(fēng)場風(fēng)速距平

綜上所述，此次渭河流域持續(xù)性降雨是在北半球極渦偏強(qiáng)且南伸明顯，中緯度環(huán)流平直，加之副高異常偏強(qiáng)、偏西且位置相對穩(wěn)定，同時在低層阿拉伯海和孟加拉灣作為重要水汽源的配合下，水汽輸送通量異常偏強(qiáng)的背景下產(chǎn)生的，盡管兩個階段水汽輸送路徑略有不同(第2次更偏西)，但均造成渭河流域水汽異常輻合。

3.1.3 降雨時空分布 2019年9月8日8時至19日8時，渭河流域出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降雨過程，中下游降雨量普遍大于100 mm，累計最大點(diǎn)雨量為虎豹河紅旗站411.4 mm，降雨主要分9月8-10日、12-18日兩個過程，兩個降雨過程中渭河流域降雨量空間分布見圖3。

圖3 2019年9月8-19日渭河流域兩次降雨過程的降雨量空間分布

第1次降雨過程歷時3 d，渭河流域面平均降雨量為38.2 mm，降雨量大于50 mm的籠罩面積為24 565 km2，主要分布在涇河上游、南山支流和漆水河上游。最大日降雨量為漆水河流域金鎖關(guān)站的94.2 mm，最大次降雨量為黑河流域釣魚臺站的121.8 mm。

第2次降雨過程歷時7 d，全流域普降中到大雨。12-14日雨區(qū)從渭河上中游移至華縣以下流域，15日雨勢減弱，16日開始暴雨中心再次從咸陽以上沿南山支流向東移動。整個降雨過程渭河南岸降水多于北岸，流域面平均雨量為79.4 mm，張家山、咸陽和華縣區(qū)間的面雨量為111.2 mm，降雨量大于100 mm的籠罩面積達(dá)27 674 km2，占流域面積的26%。最大日降雨量為虎豹河紅旗站的109.2 mm，最大次降雨量為虎豹河紅旗站的302 mm，次降雨量大于100 mm的有161個站點(diǎn)。

由于前期該區(qū)域土壤干旱，第1階段降雨未給渭河干流造成大的洪水過程，主要使土壤含水量增加，第2階段降雨是形成本次渭河洪水過程的主要來源。

3.2 渭河“2019.9”洪水過程及其特征

3.2.1 洪水概況 受降雨影響，2019年9月渭河中下游形成一小一大兩次首尾相連的洪水過程。第1次過程，渭河干流魏家堡站9月10日10：21洪峰流量為202 m3/s,咸陽站11日8：30洪峰流量為542 m3/s，臨潼站11日20：00洪峰流量為873 m3/s，華縣站12日7：48洪峰流量為828 m3/s。本次過程洪水完全在主槽內(nèi)演進(jìn)。第2次過程，魏家堡站9月14日23：00出現(xiàn)1 990 m3/s的洪峰，洪水向下游演進(jìn)，與黑河金盆水庫持續(xù)1 126 m3/s的出庫流量相遇，于15日5：48咸陽站出現(xiàn)2 860 m3/s的洪峰；加上灃河、灞河的支流洪水及涇河來水，臨潼站15日20：00洪峰流量達(dá)到3 990 m3/s；洪水在臨潼至華縣的演進(jìn)過程中出現(xiàn)漫灘，漫灘后洪水流速減小、洪峰削減幅度增大，華縣站17日2：00出現(xiàn)2 760 m3/s的洪峰。

渭河洪水與北干流來水匯合后，黃河潼關(guān)水文站9月17日13：12出現(xiàn)5 060 m3/s的洪峰流量，為黃河2019年第3號洪水。渭河“2019.9”洪水中下游各主要控制水文站洪水過程線見圖4，主要水文站洪水特征值見表1。

圖4 渭河“2019.9”洪水中下游各主要控制水文站洪水過程線

表1 渭河“2019.9”洪水主要水文站洪水特征值統(tǒng)計表

3.2.2 洪水來源與組成 此次洪水過程在渭河下游歷時約16 d，林家村以上來水量為2.39×108m3，僅占華縣站洪水總量的16.4%；臨潼以上來水量為14.43×108m3，洪水從林家村到臨潼演進(jìn)的過程中，支流共增加水量12.04×108m3，占渭河下游洪水總量的近80%，說明此次洪水主要來源于林家村至臨潼區(qū)間的支流。

林家村至臨潼區(qū)間增加的水量主要來自北岸支流千河和南岸支流清姜河、石頭河、湯峪河、黑河、澇河、灃河、灞河等，也有區(qū)間未控支流水量加入。這些支流的洪水特點(diǎn)是漲落迅速，與降雨的大小和強(qiáng)度有著密切的關(guān)系[6]。此次洪水林家村—臨潼區(qū)間有控制站的支流共加入的水量為7.73×108m3,未控支流加入水量4.31×108m3，約占林家村—臨潼區(qū)間增加水量的36%。

由于此次降雨過程中暴雨中心的移動方向與洪水流向一致[14]，洪水在向下游演進(jìn)的過程中支流持續(xù)不斷匯入水量，致使干流控制站大流量持續(xù)時間較長，咸陽站流量大于1 000 m3/s的洪水過程持續(xù)時間為64 h，臨潼、華縣站大于1 000 m3/s的流量過程持續(xù)時間分別為119 h、151 h，大于2 000 m3/s的流量過程持續(xù)時間分別為49 h和58 h。

3.2.3 洪水含沙量 涇河張家山以上為渭河流域的主要產(chǎn)沙區(qū)，多年平均輸沙量占華縣站的60%以上，而水量僅占17.8%[15]。如果渭河洪水主要來源于涇河，且張家山站含沙量在200 kg/m3以上，則為高含沙洪水。如2010年7月26日渭河洪水，張家山站洪峰流量和最大含沙量分別為1 940 m3/s、612 kg/m3，咸陽站洪峰流量和最大含沙量分別為1 280 m3/s、12 kg/m3,涇河洪水與渭河洪水遭遇后，臨潼站和華縣站最大含沙量分別為473和459 kg/m3，次洪過程平均含沙量分別為86.8和85.8 kg/m3，為高含沙洪水。

本次渭河“2019.9”洪水主要由林家村以下的南岸支流來水組成，這些支流均發(fā)源于植被較好的秦嶺北坡，源短流急，易于產(chǎn)流[16]，是渭河下游低含沙洪水來源區(qū)，故本次洪水含沙量小，華縣站實(shí)測最大含沙量為13.2 kg/m3，平均含沙量為0.01 kg/m3。洪水過程中主要體現(xiàn)為“河道沖刷”的沖淤特征，在一定程度上增大了下游河道的過洪能力。

3.2.4 臨潼—華縣段洪峰傳播時間及削減率 從整個渭河“2019.9”洪水的演進(jìn)過程看，第1次洪水過程由于流量較小而在主河槽內(nèi)行洪，咸陽—臨潼傳播時間為11.5 h；臨潼—華縣傳播時間為11.8 h，洪峰削減率為5.4%。從目前的渭河河道比降來看，傳播時間正常，洪峰基本沒有削減。第2次洪水過程魏家堡—咸陽、黑峪口—咸陽、咸陽—臨潼的傳播時間分別為6.8、9.0和13.2 h，臨潼以上洪水演進(jìn)過程基本正常。洪水在臨潼以下河段演進(jìn)過程中嚴(yán)重漫灘，受灘地及灘區(qū)高桿植物阻水的影響[17]，傳播時間延長，洪峰削減率增大。

通過與臨潼站洪峰量級相當(dāng)?shù)膸状螝v史洪水比較分析發(fā)現(xiàn)，此次洪峰在臨潼—華縣河段的傳播時間最長為30 h，基本是1984、1992和2013年洪水傳播時間的2.5～3.3倍，比1990和1996年分別延長14.0和10.5 h。渭河臨潼—華縣河段歷史洪水演進(jìn)特征對比見表2。

渭河“2019.9”洪水臨潼站3 990 m3/s的洪峰在往下游演進(jìn)過程中出現(xiàn)漫灘及倒灌，灘槽水量頻繁交換，洪峰坦化變形。在不考慮區(qū)間匯水的情況下，洪峰演進(jìn)至華縣站的削減率為30.8%。與臨潼站洪峰量級相當(dāng)?shù)膸状螝v史洪水比較分析發(fā)現(xiàn)，此次臨潼—華縣河段的洪峰削峰率僅比2013年偏小，比其他年份均偏大(見表2)。

表2 渭河臨潼—華縣河段歷史洪水演進(jìn)特征對比

3.3 討 論

3.3.1 水庫調(diào)洪 在本次洪水過程中，渭河支流的石頭河水庫和金盆水庫對干流洪峰流量進(jìn)行了調(diào)控，金盆水庫9月14日16：00出現(xiàn)最大入庫流量1 170 m3/s，14日14：40出現(xiàn)最大出庫流量1 126 m3/s，洪峰削減率為3.76%；石頭河水庫9月14日18：00出現(xiàn)最大入庫流量404 m3/s，9月14日14：00出現(xiàn)最大出庫流量300 m3/s，洪峰削減率為25.7%。兩個水庫的蓄水增量分別為0.22×108m3和0.306 8×108m3，起到了削峰減量的作用。

在暴雨洪水過程中，水庫通過科學(xué)調(diào)度，提前預(yù)泄騰庫迎洪，為后續(xù)洪水的來臨提供了一定的防洪庫容，各水庫在確保安全的前提下削峰滯洪、錯峰迎洪，減小了下游洪峰流量及防洪壓力。

3.3.2 未控支流對洪水演進(jìn)的影響 渭河林家村—魏家堡區(qū)間未控支流較多，目前有測報信息的只有清姜河、清水河、千河及石頭河，不考慮洪水坦化、傳播時間與河道槽蓄量，該4條支流洪峰簡單疊加為770 m3/s，加上林家村站的洪峰流量后也只有1 320 m3/s，而魏家堡站的洪峰流量為1 990 m3/s，還有670 m3/s的洪水來自區(qū)間的未控支流，約占魏家堡洪峰流量的34%，由此可見此次未控支流匯水對林家村—魏家堡區(qū)間的洪水過程影響明顯。

如果洪水過程中林家村—魏家堡區(qū)間未控支流匯水較多，而洪水測報信息不足，會給魏家堡的洪水預(yù)報工作帶來很大困難[18]。而目前關(guān)于林家村—魏家堡區(qū)間未控支流的洪水預(yù)報研究較少，建議加強(qiáng)該區(qū)間未控支流的水文情報預(yù)報工作，如果條件許可，適當(dāng)調(diào)整水文站網(wǎng)，并加強(qiáng)河道查勘，為渭河流域的洪水預(yù)報提供可靠的水文資料和技術(shù)支撐。

4 結(jié) 論

(1)2019年9月渭河流域中下游持續(xù)性降雨的發(fā)生是高、低緯度系統(tǒng)有效配置的結(jié)果。北半球極渦偏強(qiáng)且南伸明顯，副高在降雨過程中位置相對穩(wěn)定且異常偏西，中緯度環(huán)流平直，引導(dǎo)冷空氣不斷分裂南下，與副高西北側(cè)暖濕氣流長時間交匯于渭河流域。

(2)阿拉伯海和孟加拉灣是2019年9月渭河流域降雨的重要水汽源地，其間兩個降雨階段的水汽輸送路徑略有差異，第2次受副高西伸影響路徑更偏西，但均在渭河流域上空表現(xiàn)為水汽通量輻合，當(dāng)輻合減弱時，降雨量隨之減小。

(3)2019年9月渭河流域降雨的特點(diǎn)是范圍廣、強(qiáng)降雨區(qū)域集中。連續(xù)兩次降雨過程覆蓋整個渭河流域，渭河中下游及南岸支流降雨量普遍大于200 mm，是形成此次渭河洪水的主要來源區(qū)。兩次降雨過程首尾相連，第1次降雨過程致使土壤含水量飽和，導(dǎo)致第2次降雨過程中產(chǎn)流加快，從而形成較大洪水。

(4)“2019.9”渭河秋汛洪水主要是由渭河中下游持續(xù)降雨形成，洪水在向下游演進(jìn)過程中支流持續(xù)不斷匯水，致使渭河林家村、魏家堡、咸陽、臨潼洪水沿程增加，臨潼以下由于出現(xiàn)漫灘和倒灌，洪水演進(jìn)緩慢，洪峰流量削減，傳播時間延長。