甘肅黃河流域已知最大洪水及時空分布研究

王雙合，馬正耀

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

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甘肅黃河流域已知最大洪水及時空分布研究

王雙合，馬正耀

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

在搜集整理甘肅黃河流域160余年、1 718場洪水資料的基礎(chǔ)上，分析得到甘肅黃河流域已知最大洪水記錄及其外包線公式，并與世界最大洪水外包線進行對比分析，揭示洪水極值的地區(qū)分布規(guī)律和演變趨勢。結(jié)果表明：當集水面積小于100 km2時，與世界外包線接近，個別場次超過世界外包線；當流域面積大于100 km2時，比世界外包線偏小較多；已知最大洪水主要分布在涇河水系東部、渭河水系中上游、洮河水系下游等區(qū)域；集水面積500 km2以下河流最大洪水發(fā)生，無明顯的變化趨勢，集水面積500 km2以上河流，最大洪水的發(fā)生有明顯的變化趨勢。為本地區(qū)設(shè)計洪水合理性檢查，估算可能最大洪水，制定洪水防治方案提供科學(xué)依據(jù)。

黃河流域；已知最大洪水；時空分布；甘肅

甘肅黃河流域位于甘肅中東部地區(qū)，是一個典型的干旱少雨的地區(qū)，同時又是一個暴雨洪水災(zāi)害較多的地區(qū)。顯著特點是小流域洪水多發(fā)頻發(fā)，峰高量小，容易引起嚴重災(zāi)害。如：1979年8月10日，洮河流域?qū)O家寨塌米溝洪水、新溝洪水[1]等，其洪峰流量及洪峰模數(shù)均超過或接近世界紀錄，造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。研究甘肅黃河流域的洪水特性，探討其發(fā)生的基本規(guī)律，對制定更加科學(xué)有效的防治對策，保障人民的生命財產(chǎn)安全，實現(xiàn)人水和諧、生態(tài)文明的戰(zhàn)略目標具有重要意義。

本文搜集整理了最早可上溯至道光年間(1821-1850年)，時間跨度達160余年、2 572場洪水資料[4-7]，挖掘整理出甘肅黃河流域已知最大洪水記錄，推求了最大洪水外包線公式，通過與世界外包線的對比分析，具體說明該區(qū)域不同面積最大洪水在世界范圍內(nèi)的量級，揭示洪水極值的地區(qū)分布規(guī)律和演變趨勢?？蔀楸镜貐^(qū)進行設(shè)計洪水合理性檢查、估算可能最大洪水(PMF)，以及制定科學(xué)合理的洪水防治方案，減少洪水災(zāi)害損失提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)資料與研究方法

1.1 資料來源與可靠性分析

本次研究資料來源包括：《甘肅省洪水調(diào)查資料》1～4冊，《中國西北地區(qū)洪水調(diào)查資料》，《甘肅水旱災(zāi)害》，甘肅山洪災(zāi)害歷史洪水調(diào)查項目收集洪水資料，水文站斷面實測洪水資料，洪水專題調(diào)查報告收集洪水資料等。共收集到黃河流域詳細完整的洪水資料1 718場。

本研究收集到的資料豐富而廣泛，包含了研究范圍內(nèi)正式刊布或經(jīng)專家審查過的所有資料文獻，在進行分析研究時，對所有洪水資料又進行了面上分析論證和合理性檢查，對在文獻中將資料可靠性評價為“僅供參考”的均不予采納，分析所采用的資料均為“可靠”或“較可靠”評級，從而保證了分析結(jié)果的真實性和可靠性。

1.2 研究方法

對搜集整理得到的洪水資料系列，按照面積由小到大進行排序，從中篩選得到已知最大洪峰流量記錄系列，在此基礎(chǔ)上推求最大洪水外包線公式。對于洪水外包線公式的推求，2003年IAHS出版的《世界實測最大洪水目錄》(第二版)，根據(jù)1 500多場洪水求得的世界最大洪水外包線公式為：

當A<90 km2時

Qm=100A0.8

(1)

當A>90 km2時

Qm=500A0.42

(2)

王國安[2]等根據(jù)2006年之前獲得的最新資料，推求得到的世界最大洪水外包線公式為：

當A>300 km2時

Qm=154A0.788

(3)

當A=300～3 000 000 km2時

Qm=1 830A0.316

(4)

式(3)、(4)中符號意義同式(1)。

根據(jù)上述研究所驗證得到的洪水外包線符合的線型關(guān)系，運用搜集得到的黃河流域已知最大洪水資料，按照擬合誤差最小原則推求外包線公式。

2 已知最大洪水記錄及外包線公式推求

對收集到的甘肅黃河流域1 718場洪水資料進行分析篩選，共得到20場不同集水面積對應(yīng)的已知最大洪水記錄，見表1。集水面積最小為0.03 km2，最大為19 019 km2，對應(yīng)洪峰流量分別為2.05 m3/s和19 500 m3/s，最大洪峰模數(shù)為洮河流域塌米溝，集水面積0.9 km2，洪峰流量159 m3/s，洪峰模數(shù)為176.7 m3/s·km2，最小洪峰模數(shù)為馬蓮河流域司咀子水文站以上流域，集水面積13 822 km2，洪峰流量13 200 m3/s，洪峰模數(shù)0.95 m3/s·km2。洪峰模數(shù)隨集水面積增加而減小趨勢明顯，不同集水面積范圍的平均洪峰模數(shù)為：1 km2以下為116.1 m3/s·km2；1～10 km2為59.6 m3/s·km2；10～100 km2為46.4 m3/s·km2；100～1 000 km2為9.85 m3/s·km2；1 000 km2以上為2.14 m3/s·km2。通過繪制集水面積與洪峰流量關(guān)系(F-Qm)，結(jié)合對洪峰模數(shù)的聚類分析可知，洪峰模數(shù)在集水面積16.3 km2后出現(xiàn)明顯變化，F(xiàn)-Qm關(guān)系點據(jù)也出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折(見圖1)，經(jīng)選擇單一線和以集水面積16.3 km2為分界點擬合兩條線進行比較分析，單一線對實測點據(jù)相對平均誤差為54.4%，兩條線為28%，后者擬合誤差最小。最后確定黃河流域已知最大洪水外包線公式為：

表1 黃河流域已知最大洪水記錄

當A<24.2 km2時

Qm=75.58F0.809

(5)

當A=24.2～19 100 km2時

Qm=245.6F0.439

(6)

擬合關(guān)系線如圖1所示。外包線轉(zhuǎn)折點在24.2 km2處，之前斜率較大，之后斜率趨緩。

圖1 黃河流域已知最大洪水外包線

3 結(jié)果分析

3.1 外包線及洪峰模數(shù)對比分析

由圖2給出了甘肅黃河流域最大洪水外包線及世界最大洪水外包線，與世界外包線進行比較可以看出：集水面積小于100 km2的小流域最大洪水十分接近甚至超過世界外包線，如：洮河孫家寨塌米溝洪水，超過世界外包線10.7%，成為世界紀錄；渭河流域聶河洪水，集水面積16.3 km2，洪峰流量1 161 m3/s，洪峰模數(shù)71.2 m3/s·km2，比世界外包線僅偏小3.9%；洮河新溝洪水，集水面積僅0.7 km2，洪峰流量102 m3/s，洪峰模數(shù)145.7 m3/s·km2，比世界外包線的外延線(世界外包線最小面積0.9 km2)偏小13.8%；當集水面積超過100 km2時，與世界外包線的偏離逐步增大，如：馬蓮河華池張川陽莊暴雨洪水，集水面積120 km2，洪峰流量2 550 m3/s，比世界外包線偏小51.6%；馬蓮河雨落坪站，集水面積19 019 km2，最大洪峰流量19 500 m3/s，比世界外包線偏小52.6%。

洪峰模數(shù)是反映洪水強度的重要指標，表2列出了甘肅黃河流域及世界已知最大洪水的洪峰模數(shù)統(tǒng)計值，可以看出，平均值：甘肅黃河流為35.1 m3/s·km2，世界為54.3 m3/s·km2，相差明顯；最大值：甘肅黃河流域與世界值相同，同為甘肅洮河孫家寨塌米溝洪水的176.7 m3/s·km2；次大值：甘肅黃河流域為145.7 m3/s·km2，顯著高于世界值(發(fā)生于波多黎各)的118.4 m3/s·km2。集水面積10 km2以下及10～100 km2，二者接近；其它面積范圍相差較大。綜上所述，甘肅黃河流域洪峰模數(shù)最大及次大值均為世界紀錄，其產(chǎn)流面積分別為0.9 km2、0.7 km2，充分反映了該流域小面積洪水的驚人強度。

圖2 甘肅黃河流域及世界已知最大洪水外包線

表2 甘肅黃河流域與世界不同面積洪峰模數(shù)值對比

3.2 已知最大洪水區(qū)域分布

從已知最大洪水記錄來看，最大洪水發(fā)生地具有明顯的區(qū)域性特點：甘肅黃河流域20場已知最大洪水記錄，其中：涇河水系11場，占55%；洮河水系5場，占25%；渭河水系2場，占10%；黃河干流水系2場，占10%。集水面積10 km2以下的最大洪水多數(shù)發(fā)生在洮河水系臨洮縣境內(nèi)，占62.5%，少部分發(fā)生在黃河干流靖遠縣及涇河水系鎮(zhèn)原縣境內(nèi)，各占25%和12.5%；集水面積在10 km2以上的最大洪水全部發(fā)生在涇、渭河水系，分別占83.3%和占16.7%，而涇河水系最大洪水主要發(fā)生在隴東馬蓮河流域，占60%。綜上所述，雖然一般性的洪水在全流域均有發(fā)生，但就最大洪水而言，主要分布在涇河水系東部、渭河水系中上游、洮河水系下游區(qū)域。

3.3 已知最大洪水時間分布及演變趨勢

甘肅黃河流域最大洪水記錄最早為道光年間，最大洪水在160多年時間里分布狀況，既反映了洪水演變過程和趨勢，同時也反映氣候環(huán)境的變遷以及人類活動對洪水的影響。分析最大洪水發(fā)生次數(shù)在各時間段的分布情況(見表1)，可以發(fā)現(xiàn)：集水面積500 km2以下的最大洪水，最早記錄為1854年涇河水系四郎河高家臺洪水，最晚記錄為2002年黃河干流水系冬青溝洪水。雖然有的時期相對較多，有的時期相對較少，但各時期均有分布，無明顯變化趨勢；集水面積500 km2以上的最大洪水，最早記錄為發(fā)生于清朝道光年間涇河水系蒲河寺溝金家洪水，最晚記錄為發(fā)生于1947年的黑河洪水，共6場最大洪水記錄，有5場發(fā)生在上世紀以前，自1947年之后的近70年來，再無發(fā)生記錄，減少趨勢明顯。究其原因，除氣候變化因素外，主要是由于全國解放后，尤其是上世紀八十年代以來，進行大規(guī)模的流域治理和水利建設(shè)活動，興修梯田、攔蓄壩、水庫、水電站等水土保持和水利工程，對大流域洪水起到了很大的削減和控制作用[6-8]，導(dǎo)致發(fā)生大流域洪水發(fā)生的可能性越來越低，而小面積流域則受局地暴雨的影響，隨機性強，工程控制作用相對較弱，超歷史大洪水不斷出現(xiàn)，今后發(fā)生的可能性依然存在。因此，防范和治理小流域洪水，減少災(zāi)害損失，將是今后防汛抗洪的重點所在。

4 結(jié)語

(1)黃河流域外包線與世界外包線進行對比分析：當流域面積小于100 km2時，十分接近、個別場次超過世界外包線，當流域面積大于100 km2時，與世界外包線的偏離明顯拉大，表明甘肅黃河流域由局地暴雨所產(chǎn)生小流域洪水可達世界紀錄，這也是該地區(qū)洪水災(zāi)害多而頻繁的主要原因。

(2)由流域已知最大洪水記錄可知：最大洪水主要分布在涇河水系東部、渭河水系中上游、洮河水系下游區(qū)域，這些地區(qū)仍是今后防洪的重點區(qū)域。

(3)分析最大洪水隨時間演變的趨勢可知：在長達100多年的時間里，各流域集水面積500 km2以下的河流，最大洪水無明顯的變化趨勢；集水面積500 km2以上的河流，最大洪水的發(fā)生具有明顯的變化趨勢，在自1947年之后的近70年來，沒有發(fā)生記錄，減少趨勢明顯。表明除氣候因素外，大規(guī)模的流域治理和水利建設(shè)等人類活動，對大流域洪水起到了削減和控制作用，導(dǎo)致大流域洪水發(fā)生的可能性越來越低，而小流域則受局地暴雨的影響，工程作用相對較弱，發(fā)生超歷史大洪水的可能性依然存在。

(4)通過豐富而廣泛的洪水資料，分析得到的甘肅黃河流域已知最大洪水記錄及其外包線公式，可用于設(shè)計洪水的合理性檢查以及最大可能洪水(PMF)的估算，但這是一個基于當前已知洪水條件下推求的結(jié)果，隨著人們對洪水資料的不斷積累，可隨時對最大洪水記錄和外包線公式進行修改，去不斷的逼近真值。

[1]余應(yīng)中,張鈺,楊淑雯,等.甘肅水旱災(zāi)害[M].鄭州:黃河水利出版社.1996.6.

[2]王國安, 王軍良,李保國,等.世界已知最大洪水及其外包線公式[J].人民黃河.2006,28(2):2-4.

[3]甘肅省水利廳.甘肅省洪水調(diào)查資料[M].1983.6.

[4]中華人民共和國水利部.中國西北地區(qū)洪水調(diào)查資料.

[5]甘肅省水文水資源局.甘肅歷史洪水調(diào)查報告[R].2015.9.

[6]李作偉, 吳榮軍, 馬玉平.氣候變化和人類活動對三江源地區(qū)植被生產(chǎn)力的影響[J].冰川凍土.2016，38(3):804-810.

[7]代穩(wěn), 呂殿青, 李景保,等.氣候變化和人類活動對長江中游徑流量變化影響分析[J].冰川凍土.2016, 38(2):488-497.

[8]王鶯, 張雷, 王勁松.洮河流域土地利用/覆被變化的水文過程響應(yīng)[J].冰川凍土.2016,38(1):200-210.

2017-02-22

王雙合(1962-)，男，甘肅天水人，教授級高工，主要從事水文水資源、水環(huán)境監(jiān)測、評價及預(yù)報研究工作。

P331.1

A

1004-1184(2017)03-0113-03