喬殿新, 馮 偉, 王 飛, 李斌斌, 韓劍橋, 李 琦, 王國振

(1.水利部 水土保持監(jiān)測中心, 北京 100053; 2.水利部 水土保持司, 北京 100053;3.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

全球氣候變化背景下，我國特大暴雨的發(fā)生頻次和影響范圍顯著增加[1]。極端暴雨形成的洪水災害，嚴重威脅居民人身財產(chǎn)安全，導致工農(nóng)業(yè)與城市經(jīng)濟遭受重大損失。如何應對極端暴雨條件下的洪水災害是中國乃至世界未來長期時間內(nèi)需要面對的新問題[2]。研究極端暴雨下不同尺度流域的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征對于極端暴雨致災機理與防災減災具有重要的理論與實踐意義。

在特定降雨條件下，流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙及其之間的相互關系是流域綜合治理的理論基礎。流域的產(chǎn)流產(chǎn)沙是一個非常復雜的物理過程，是降水和流域下墊面相互作用的結(jié)果[3]，人類活動主要通過改變土地利用方式和實施水土保持措施來改變流域下墊面，使流域的水文泥沙過程發(fā)生顯著變化[4-6]。目前通過一些經(jīng)驗模型、隨機模型和確定性模型已經(jīng)可以進行流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的預測[7-9]，其中利用SWAT，MIKE，WEPP，RUSLE等模型來模擬流域的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程已經(jīng)在實際應用中得到了廣泛的認可[10-14]，但是這類方法對資料要求性較高并且計算量較大。而通過使用水沙關系來模擬流域的水沙過程，則回避了很多細節(jié)問題，對資料的要求較低[15]。冉大川等[16]使用歷史水沙關系預測佳蘆河流域“2012-7-27”暴雨洪水輸沙量，發(fā)現(xiàn)水土保持措施使得暴雨輸沙量減少了64.3%；趙陽等[17]以無定河“7·26”暴雨為例，發(fā)現(xiàn)在相似降雨的條件下，水土保持措施使得暴雨洪水輸沙量減少了53%；師長興等[18]通過水沙關系曲線分析了黃河內(nèi)蒙古段不同時期的洪水輸沙量特征。由此可知，基于水沙關系的場次洪水輸沙量預測可以在宏觀角度對場次洪水輸沙量有一個相對準確的預測。

為此，本文以2019年8月10日發(fā)生于山東省濰坊市臨朐縣的“利奇馬”臺風暴雨洪水事件為對象，通過降雨洪水泥沙數(shù)據(jù)進行產(chǎn)流產(chǎn)沙特征分析，提出基于水沙關系的場次洪水輸沙量預測方法，以期為應對類似暴雨引發(fā)的洪水災害和水土流失防治提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

臺風“利奇馬”于8月10日1：45在浙江省溫嶺市城南鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時中心附近最大風力有16級(52 m/s)，又于8月11日20：50在山東省青島市黃島區(qū)沿海再次登陸，登陸時中心附近最大風力有9級(23 m/s)，此后其移入渤海海面并不斷減弱，最終于8月13日14：00被中央氣象臺停止編號?！袄骜R”在山東造成的過程降雨強度位列歷史記錄第一，在8月11日20:00—12日16:00過境期間，濰坊市臨朐降水量385.4 mm，打破了當?shù)貑稳战邓畼O值紀錄，黃山水文站測得的洪峰流量高達2 210 m3/s，是自1988年以來記錄的最大洪峰流量[19]。

臨朐縣隸屬山東省濰坊市(北緯36°04′—36°37′，東經(jīng)118°14′—118°49′)，屬典型的北方丘陵輕度侵蝕區(qū)，暖溫帶亞濕潤大陸性季風氣候，多年平均降水量695 mm。彌河由南向北而過，縣內(nèi)流域面積1 438 km2，占臨朐縣總面積的78.5%。

黃山水文站控制流域位于彌河上游，流域面積為375 km2(圖1)。該流域多年平均降水量707 mm，多年平均徑流深156 mm，折合年徑流量1.23億m3。流域內(nèi)主要由棕壤、褐土覆蓋，植被覆蓋度較低，水土流失嚴重，河流輸沙量大。辛莊觀測站控制流域面積為3.58 km2。該流域多年平均降水量592 mm，多年平均徑流深 254 mm，降雨主要集中在夏季。流域內(nèi)主要由棕壤土覆蓋，土壤孔隙度大，膠結(jié)力弱，易被雨水沖蝕。

圖1 研究區(qū)位置

2 研究方法

2.1 降雨數(shù)據(jù)來源與處理

在暴雨中心落區(qū)選取曾家溝、花峪和辛莊子3個雨量站(圖1)的降雨觀測資料分析本次臺風暴雨的降雨過程。3個雨量站的降雨過程資料及辛莊子雨量站的24 h最大降雨量資料來源于山東省濰坊市水文局。主要參考了次降雨量、最大24 h降雨和日降雨量幾個指標(表1)。其中曾家溝雨量站的次降雨量、最大24 h降雨量、最大日雨量等值均為最大，花峪次之，辛莊子最小。利用python軟件對降雨數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進行處理，計算出最大瞬時雨強；采用皮爾遜Ⅲ型曲線計算該次暴雨中24 h最大降雨量的重現(xiàn)期[19]。

表1 暴雨中心3個雨量站降雨數(shù)據(jù) mm

2.2 洪水泥沙資料的獲取與處理

洪水泥沙資料來源于濰坊市水文局收集的辛莊觀測站和黃山水文站的實測數(shù)據(jù)，主要參考了洪峰流量、沙峰、洪水徑流總量、洪水泥沙總量、徑流模數(shù)、產(chǎn)沙模數(shù)等指標(表2)。

表2 黃山水文站與辛莊觀測站洪水泥沙數(shù)據(jù)

其中流量數(shù)據(jù)來源于實測值，洪水徑流總量根據(jù)公式(1)計算:

(1)

式中:V為洪水徑流總量；Qn為一個時間點的實測流量；Qn+1為后一個時間點的實測流量(m3/s);ΔT為兩個時間點的時間差(s)。將所有測量時段內(nèi)的洪水徑流量累加得到洪水徑流總量。

洪水泥沙總量采用公式(2)計算：

(2)

式中:Pn為一個時間點的輸沙率；Pn+1為后一個時間點的輸沙率(kg/s)；ΔT為兩個時間點的時間差(s)。將所有時間段的泥沙量累加起來,得到測量時間內(nèi)洪水泥沙總量。

根據(jù)濰坊市水文局所提供的歷年洪峰流量數(shù)據(jù)(1988—2019年)，使用皮爾遜Ⅲ型曲線計算本次暴雨洪峰流量的重現(xiàn)期；采用Excel分別對2019年和2018年的兩次洪水的水沙數(shù)據(jù)進行擬合，以得出兩次洪水的水沙關系并進行對比，判斷該區(qū)域在暴雨洪水的條件下水沙關系是否穩(wěn)定，提出基于水沙關系的黃山水文站場次洪水輸沙量預測方法。

3 結(jié)果與分析

3.1 暴雨特征分析

圖2顯示了曾家溝、花峪、辛莊子雨量站在本次暴雨期間的降雨過程?？梢钥闯?，暴雨開始于2019年8月10日上午9：00左右，持續(xù)近48 h，直至2019年8月12日上午8：00才基本停止。曾家溝為本次“利奇馬”臺風的暴雨中心，最高瞬時雨強發(fā)生于8月11日08：08：43—08：08：50，為240 mm/h。離曾家溝較遠的花峪最高瞬時雨強為144 mm/h，與曾家溝最強瞬時雨強時間接近，但瞬時雨強明顯弱于曾家溝。離暴雨中心最遠的辛莊子最高瞬時雨強為138 mm/h，發(fā)生為8月11日04：42：49—04：43：27。

暴雨中心的曾家溝降雨量達到570.6 mm，占多年平均降雨量的82%。花峪暴雨過程與曾家溝相似，降雨量為552.2 mm。辛莊子的降雨過程弱于曾家溝與花峪，其降雨量為502.0 mm。辛莊子雨量站24 h最大降雨量為434.0 mm，根據(jù)皮爾遜Ⅲ型曲線計算重現(xiàn)期，達到了50 a一遇(圖3)。

3.2 小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙特征分析

由圖4可知，辛莊觀測站場次洪水徑流總量為123萬 m3，徑流模數(shù)為34.36萬 m3/km2；實測洪峰40.96 m3/s，洪峰模數(shù)為11.44 m3/(s·km2)，發(fā)生于8月11日6：00。辛莊觀測站次洪水泥沙總量為4 600 t，沙峰為283.41 kg/s，產(chǎn)沙模數(shù)為1 285 t/km2；最大含沙量為6.92 kg/m3，發(fā)生于8月11日6：00。對比洪水過程和泥沙過程，發(fā)現(xiàn)洪峰與沙峰出現(xiàn)的時間一致，洪水過程線與泥沙過程線基本重合，說明該地區(qū)的流量與輸沙率呈正比關系[20]。

3.3 流域水沙輸移特征

3.3.1 洪水泥沙分析 圖5為黃山水文站洪水和泥沙過程線圖。受臺風“利奇馬”影響，黃山水文站實測洪峰2 210 m3/s，發(fā)生于8月11日06：30。該洪峰是黃山水文站自1988年建站以來的最大流量。圖6為洪峰頻率分析圖，2019年8月“利奇馬”臺風造成的洪峰流量重現(xiàn)期為33.3 a一遇。黃山水文站最大沙峰為18 634 kg/s，出現(xiàn)在8月11日06：30。平均含沙量為3.34 kg/m3，最大含沙量為11.4 kg/m3；輸沙量為36.23萬 t，輸沙模數(shù)為966 t/km2。本次暴雨洪水的輸沙量是多年平均輸沙量(19.5萬t)的1.65倍。

圖2 各雨量站的瞬時雨強

基于黃山水文站洪水過程數(shù)據(jù)計算可知，8月10—18日測量時段內(nèi)，黃山水文站徑流量高達1.02億m3。該徑流量是2018年同期臺風“摩羯”與“溫比亞”疊加引起的洪水徑流量0.68億m3的2.32倍。

圖3 辛莊子雨量站24 h最大降雨量頻率曲線

圖4 辛莊觀測站洪水過程線和泥沙過程線

圖5 黃山水文站2019年“利奇馬”臺風暴雨洪水過程線和泥沙過程線

圖6 黃山水文站2019年洪峰頻率曲線

3.3.2 水沙關系分析 從圖7中可以看出，2018年夏季汛期期間臨朐共經(jīng)歷3次洪水，除6月份第一次洪水過程中沙峰略提前于洪峰，表現(xiàn)出一定的水沙異步特性外，第二次和第三次洪水過程中洪峰與沙峰基本同時出現(xiàn)，表明該地區(qū)的水沙關系較為穩(wěn)定，可以基于水沙關系曲線進行場次暴雨洪水輸沙量的預測[21]。

圖7 黃山水文站2018年洪水泥沙過程

圖8繪制了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—輸沙率曲線關系圖，代表了特大洪水條件下的水沙關系?？梢钥闯?，當流量<1 380 m3/s時，2018年與2019年兩次洪水的水沙關系曲線幾乎重合，表明流量與輸沙率之間有較好的相關關系；當流量>1 380 m3/s時，與輸沙率的相關關系減弱，可能是因為8月11日凌晨上游一建筑工地因水位上漲，導致大量的漿砌石、沙土等建筑材料被洪水沖走，引起該時段的洪水輸沙率明顯提高?？傮w來看，兩次洪水的水沙關系曲線R2均大于0.90，并且洪峰與沙峰出現(xiàn)時間一致，表明該地區(qū)的水沙關系穩(wěn)定。按照2018年的水沙關系與2019年的徑流量，估算出黃山水文站的場次暴雨洪水輸沙量約為40萬t，與實測值相差9.4%，說明在該區(qū)域可以采用歷史暴雨洪水泥沙關系估算洪水輸沙量。

圖8 2018-2019年黃山水文站水沙關系

4 結(jié)論與建議

(1) 曾家溝為本次“利奇馬”臺風造成暴雨的中心，暴雨開始于2019年8月10日上午9：00左右，持續(xù)將近48 h，降雨量達到570.6 mm，占多年平均降雨量的82%。

(2) 2019年8月10—17日辛莊控制站次洪水徑流總量為123萬 m3，徑流模數(shù)為34.36萬 m3/km2；實測洪峰40.96 m3/s，洪峰模數(shù)為11.44 m3/(s·km2)。辛莊觀測站次洪水泥沙總量為4 600 t，產(chǎn)沙模數(shù)為1 285 t/km2；最大含沙量為6.92 kg/m3。

(3) 黃山水文站實測洪峰2 210 m3/s，是自1988年建站以來的最大洪峰，重現(xiàn)期為33.3 a一遇。徑流量高達1.02億 m3，占年最大徑流量1.58億 m3(2018年)的64.6%。該徑流量是2018年同期臺風“摩羯”與“溫比亞”疊加引起的洪水徑流量0.68億 m3的2.32倍。最大沙峰為18 634.29 kg/s，輸沙量約為36.23萬 t，是多年平均輸沙量(19.5萬t)的1.65倍。

(4) 按照2018年的水沙關系與2019年的徑流量，估算出黃山水文站的場次暴雨洪水輸沙量為40萬t，與實測值相差9.4%，說明在該區(qū)域暴雨洪水中水沙關系穩(wěn)定，可以采用歷史暴雨洪水泥沙關系估算暴雨洪水輸沙量。

(5) 由臺風引起的暴雨洪澇、水土流失會對當?shù)爻擎?zhèn)居民人身財產(chǎn)安全和生產(chǎn)建設項目形成嚴重威脅，應采取適應性對策提升區(qū)域災害風險防范和綜合適應能力，有效地減輕該地區(qū)因臺風暴雨所造成的災害損失。