內蒙古西柳溝流域致洪暴雨特征分析

王金花，張榮剛，李占斌，何 琦

(1.西安理工大學 西北水資源與環境生態教育部重點實驗室，陜西 西安 710048； 2.黃河水利科學研究院 水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南 鄭州 450003； 3.黃河水利委員會 水文局，河南 鄭州 450004)

西柳溝流域為黃河內蒙古河段直接入黃的十大孔兌(蒙古語，意為山洪溝)之一，發源于內蒙古鄂爾多斯市東勝區泊爾江海子鎮對壕鄉張家山頂，流經泊爾江海子鎮和展旦召、昭君墳鄉，由昭君墳鄉河畔村流入黃河，全長106.5 km，流域總面積1 356.3 km2[1]。流域內地勢南高北低，上游為黃土丘陵溝壑區，地面物質由砂巖和砒砂巖組成，植被覆蓋度低，極易產生水土流失；中游為庫布齊沙漠地帶，多為流動性沙丘，風蝕嚴重；下游為沖洪積扇區，地勢較為平坦。該流域位于西北類雨型暴雨中心區，多暴雨和特大暴雨。流域內上中游強烈的水土流失為主汛期高含沙洪水的形成提供了豐富的物質基礎，而突發性暴雨則為泥沙運移提供了動力條件。據實測資料，有觀測記錄以來西柳溝流域先后發生過9次泥沙堵塞黃河干流事件，給當地民眾生產生活和西柳溝入黃口對岸的包鋼生產造成重大影響[2-3]。本研究利用降雨、徑流觀測資料，分析西柳溝流域重大洪澇災害事件發生時的降雨，尤其是致洪暴雨特征，闡述了流域性大暴雨及持續性暴雨對洪澇災害的影響。

1 西柳溝流域降雨、徑流資料

1.1 水文、氣象站點

西柳溝流域把口站為龍頭拐水文站，龍頭拐水文站設于1960年4月，1961年9月停測，1962年7月20日恢復觀測；1965年6月1日向下游遷移70 km，為龍頭拐(二)站；1969年7月1日又向上游遷移1.5 km，為龍頭拐(三)站；1991年11月11日再向下游遷移5 km至龍頭拐(四)站(E109°46′、N40°21′，距入黃口24 km，后簡稱龍頭拐)。本次研究采用龍頭拐、柴登壕、高頭窯3個氣象站的降雨資料，徑流資料采用的是龍頭拐水文站資料，資料時段為建站以來至2010年，數據資料來源于《中華人民共和國水文年鑒》。氣象、水文站點分布情況見圖1。

圖1 西柳溝流域氣象、水文站點分布情況

1.2 降雨、徑流特征

根據西柳溝流域內氣象站降水量資料及把口站流量資料，分析降水量、徑流量變化特征(圖2)，結果表明流域內降水主要集中在汛期，其中6—9月降水量占年降水量的80.4%；7—9月徑流量較大，約占年徑流量的63.6%。從降水量與徑流量的分布情況可以看出，西柳溝流域徑流主要來自降雨產流。

圖2 西柳溝流域多年平均月降水量、徑流量

與降水量的年內分配規律不同，徑流量的分布呈現雙峰型，即除了主汛期7—9月份存在一個產流高峰期以外，3月份還有一個產流高峰期，3月份流域產流量占到全年產流量的10.4%，僅次于主汛期9月份的產流量。初步分析，一方面由于西柳溝流域位置偏北，冬季形成的積雪在3月份開始融化產生融雪徑流；另一方面可能是由于其特殊的流域下墊面因素造成的，中游的庫布齊沙漠降雨入滲量比黃土區大，降雨就地入滲，產流過程延長，冬季河流水位較低時沙漠中的水分補給河流，致使河流徑流量增大。有關這方面的深層次原因，目前正在開展地表覆沙層對降雨產流過程影響的試驗研究。

2 西柳溝流域致洪暴雨特征分析

西柳溝雖為季節性河流，年平均徑流量較其他入黃一級支流小，但汛期來水來沙往往會給黃河干流帶來嚴重的洪澇災害及淤積堵塞，這與該流域位于我國西北類雨型暴雨中心區、黃河流域夏季易澇區[4-5]，以及流域徑流主要來自于暴雨產流等特征有著重要的關系。本研究以西柳溝流域為例，分析流域內由汛期突發性暴雨造成嚴重洪澇災害、黃河干流淤堵年份[3，6-7]降雨的時空變化特征，重點闡述了災害發生時流域暴雨強度、歷時以及暴雨中心分布情況。

2.1 全流域短歷時、高強度降雨易造成山洪暴發

以西柳溝山洪暴發引起黃河干流堵塞較嚴重的1966年8月13日和1989年7月21日降雨(表1)為例，分析洪水暴發前流域內各氣象站統計的致洪暴雨特征。

從表1可以看出，整個流域在兩次降雨過程中無論上游、中游還是下游均有較強的降雨，均出現了6 h降水量大于140 mm的特大暴雨，特大暴雨發生時段平均降雨強度在20 mm/h以上。根據各個氣象站降雨摘錄資料，1966年8月13日上游柴登壕氣象站6.6 h降雨量144.4 mm，達到特大暴雨強度等級；中游高頭窯氣象站6.4 h降雨量73.5 mm，達到大暴雨等級；把口站龍頭拐洪澇災害發生前(時)7 h降雨量為18.2 mm。尤其是1989年7月21日，整個流域普降暴雨，上游柴登壕氣象站6 h降雨量66.9 mm，最大降雨強度12.2 mm/h；中游高頭窯氣象站降雨量最大，6 h降雨量147.0 mm，達到特大暴雨等級；把口站龍頭拐4 h降雨量77.1 mm，最大降雨強度39.5 mm/h。結合洪澇災害資料和上述分析可以看出，全流域高強度、短歷時暴雨是洪澇災害發生的重要誘發因素之一。

表1 1966-08-13、1989-07-21西柳溝流域致洪暴雨特征

2.2 連續性降雨是引發山洪的另一重要原因

除短歷時高強度降雨外，連續性降雨也是引發山洪的一個重要原因。如1998年7月12日和2003年7月29日的兩次山洪致使黃河干流淤堵嚴重，但是就當日降雨而言，降雨強度及范圍均較小，前期的連續性降雨才是導致流域山洪暴發的重要原因。根據山洪暴發前流域內各站觀測降雨歷時及降雨量(表2)，對兩次洪澇災害發生前期的降雨洪水過程分析如下：

表2 西柳溝流域持續性降雨歷時及降雨量

1998年7月12日西柳溝流域中下游地區有降雨過程發生，高頭窯站觀測降雨量為68.4 mm(10 h)，龍頭拐站觀測降雨量為39.9 mm(14 h)，平均降雨強度為2.3～6.9 mm/h，單次降雨強度并不算太大。但是之前的7月5日全流域范圍內普降大雨，其中高頭窯站和龍頭拐站均有大暴雨發生，次降雨量分別達到103.8、100.1 mm，形成了最大流量1 470 m3/s、最大含沙量682 kg/m3的洪峰過程，洪水過程持續到7月6日20時。在此次全流域范圍內的降雨過程中下墊面基本飽和，隨后的12日降雨下墊面損耗量較少、直接產流量大，形成了最大流量1 700 m3/s、最大含沙量764 kg/m3的洪水過程，致使大量洪水泥沙集中而下，造成黃河干流淤積嚴重。此外，2003年7月30日西柳溝流域泥沙淤堵黃河干流也是由于前期持續性降雨過程造成的，7月16日至26日流域內持續性降雨使得龍頭拐水文站在7月25日20時20分形成1 100 m3/s的洪峰，7月29日至30日的持續降雨形成了最大流量2 410 m3/s的洪峰過程。

2.3 暴雨中心出現在中游極易引發洪澇災害

對流域產流過程來說，在面平均降雨量相同的情況下，一般實際匯流面積越大，產流量越大；同樣，在產流面積相同的情況下，面平均降雨量越大，產流量也越大。根據西柳溝流域洪澇災害記載資料及降雨量資料，分析發生淤堵黃河干流重大事件前(時)流域內各氣象站降雨特征，探討致洪暴雨的空間分布特征。圖3為西柳溝流域發生嚴重洪澇災害年份各氣象站降雨量分布圖。從圖中可以看出，在歷次洪澇災害發生時，流域內無論是上游、中游還是下游都有明顯的降雨過程；從降雨量的等級上來看，歷次洪澇過程中以高頭窯站降雨量最大，均達到暴雨或者特大暴雨等級，即呈現出以中游高頭窯為暴雨中心的空間分布格局。

圖3 重大洪澇災害年份西柳溝流域各氣象站降雨分布

3 結 語

基于西柳溝流域水沙災害嚴重的現狀，在分析有觀測資料以來流域內降雨產流輸沙關系的基礎上，重點剖析了洪澇災害嚴重年份致洪暴雨時空分布特點，結果表明西柳溝流域發生黃河干流淤堵時的致洪暴雨主要有3個特點：一是全流域上、中、下游有高強度短歷時大暴雨及特大暴雨；二是前期有連續性大雨及暴雨；三是呈現以高頭窯為暴雨中心的空間分布格局。該研究成果可為黃河寧蒙河段水資源合理調度及重大災害預測預警提供重要參考。

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