祖厉河流域最大暴雨洪水特性研究

陈军武 黄维东 朱晓涛

摘 要：依據祖厉河流域实测水文资料，利用水文学、数理统计学等理论和方法，分析了流域暴雨、洪水的时空分布规律，拟合了最大暴雨量P随暴雨历时T变化的平均关系曲线及外包线，选取上下游水文站4场相应典型洪水过程，分析其变化特性和暴雨成因。结果表明：流域10 min、30 min、1 h、3 h、6 h、24 h最大暴雨量多年平均值分别为7.9、13.3、16.6、23.3、27.6、38.2 mm，暴雨量最大值主要发生在关川河流域，最小值均发生在最下游的靖远站;最大暴雨和洪水年内分布主要集中在汛期，历年最大暴雨量除会宁站30 min略有增加外，其余站点各时段最大暴雨量均呈减小趋势，年最大流量总体呈持续减小趋势，发生大洪水的频次在减少;会宁、郭城驿、靖远站历年最大流量均值分别为248、415、474 m3/s，100 a一遇洪峰流量分别为1 263、1 525、2 395 m3/s，50 a一遇洪峰流量分别为1 026、1 297、1 969 m3/s;流域洪水过程与暴雨量及其时空分布有关，较大洪水一般是全流域普遍发生大暴雨所致，中下游水文站控制断面洪水过程经常发生连续涨落的复式洪峰;干流洪水传播时间与洪峰流量大小和河道比降有关，会宁—郭城驿段洪峰传播时间为5.0～13.0 h，郭城驿—靖远段洪峰传播时间为4.6～11.1 h。

关键词：最大暴雨量;最大流量;频率分析;祖厉河流域

中图分类号：P333.2   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.002

Abstract： Based on the measured hydrological data of the Zuli River basin， by using theories and methods such as hydrology， mathematical statistics， the spatial and temporal distribution law of rainstorm and flood in the basin was analyzed， and the average relationship curve and outsourcing line of the maximum amount of rainstorm P with the T that changed following rainstorm time were fitted. The 4 corresponding typical flood processes of the upstream and downstream hydrological stations were selected to analyze its changing characteristics and the causes of rainstorms. The results show that the multi-year averages of the maximum rainfall of 10 min， 30 min， 1 h， 3 h， 6 h and 24 h in the basin are 7.9， 13.3， 16.6， 23.3， 27.6 and 38.2 mm respectively and the maximum amount of rainstorms occur mainly in the Guanchuan River basin but the minimum value are all aroused in the lowest reaches of Jingyuan Station; The distribution of the maximum rainstorms and floods during the year are mainly concentrated in the flood season， the maximum amount of heavy rain， annual maximum flow rate and the frequency of major floods in the sites at all times are all show decreased trends except Huining Station with slight increase in 30 min. The average of the maximum discharge of Huining， Guocheng and Jingyuan stations is 248， 415 and 474 m3/s respectively. Besides， the 100-year frequency flood peak discharge is 1 263， 1 525 and 2 395 m3/s respectively and 50-year frequency flood peak discharge is 1 026， 1 297 and 1 969 m3/s respectively for the three different stations. The flood process of the basin is related to the amount of rainstorm and its spatial and temporal distribution， and the larger flood is generally due to the heavy rain occurred in the whole basin， the middle and lower reaches of the hydrologic station control section flood process often occurs continuous rise and fall of double flood peak， the main flow flood transmission time is related to the flood peak discharge size and channel slope， the travel time at the section between Huining and Guocheng is 5.0-13.0 h and the travel time of peak flow in Guocheng-Jingyuan section is between 4.6-11.1 h.

Key words： maximum rainstorm; maximum stream flow; frequency analysis; Zuli River basin

受全球气候变化和极端天气影响，局地暴雨洪水频发，区域性灾害不断发生，对人民生命财产造成严重损失[1-2]。甘肃省位于我国西北干旱与半干旱区，除了受干旱灾害影响外，局地暴雨洪水灾害的分布范围广、发生频率高，是全国山洪灾害重点防治地区之一。2010年舟曲“8·8”特大山洪泥石流灾害、2012年岷县“5·12”山洪泥石流災害以及2013年天水“7·25”暴雨地质灾害给当地人民群众生命财产造成了巨大损失。充分利用实测水文资料，分析流域暴雨洪水特性，掌握洪水变化规律，做出较为准确可靠的洪水预警预报结果尤为紧迫和重要[3]。

暴雨洪水特性的分析研究方面，对次暴雨洪水特性及其成因分析的文献较多，如魏琳等[4]采用气象资料对海河流域2016年7月18—20日大暴雨进行了成因分析;尹志杰等[5]采用实时报汛数据分析了长江流域2017年6月下旬至7月初暴雨洪水特性;牛最荣等[6]采用实测最大暴雨数据对甘肃省的暴雨参数时空分布规律进行了分析;李芸等[7]利用西南地区1961—2010年降水资料分析了50 a的暴雨时空分布特征;高亚军等[8]分析了1956—2009年皇甫川流域不同历时最大暴雨量的周期性和趋势性。笔者选取在黄土高原具有代表性的祖厉河流域，收集水文站、雨量站的实测资料，分析了暴雨洪水演变规律，这对掌握区域暴雨特性、加强暴雨洪水预警预报、提高山洪灾害防御能力、保障人民生命财产安全具有重要意义。

1 资料及方法

1.1 流域概况

祖厉河是黄河的一级支流，发源于会宁县南部的华家岭北麓，流经甘肃省通渭、陇西、会宁、安定、榆中、靖远六县﹙区﹚及宁夏的一部分，于靖远县红咀子处汇入黄河。流域地处东经104°13′—105°35′、北纬35°16′—36°34′之间，东西宽124 km，南北长144 km，集水面积10 647 km2，干流长220 km，平均坡降0.192%。流域属黄土丘陵沟壑区，地势东南高、西北低，流域内全为黄土覆盖，植被覆盖率低，土壤侵蚀以水力侵蚀和重力侵蚀为主。气候类型属于北温带半干旱大陆性季风气候，降水量少且年内分配不均，气候干燥，昼夜温差大。流域多年平均降水量为380.5 mm，水面蒸发量在900～1 060 mm之间，多年平均径流量1.129亿m3，年径流深10.6 mm，径流系数为0.028。年输沙量为5 015万t，年侵蚀模数为4 710 t/km，最大含沙量可达1 120 kg/m3。

流域水系及水文站、雨量站分布见图1。

1.2 资料选取

选取祖厉河流域会宁、郭城驿、巉口、靖远4个水文站实测洪水资料，18处雨量站暴雨观测资料。暴雨洪水资料系列长，其中4个水文站的暴雨、洪水资料长达58 a（1957—2014年），其余雨量站暴雨资料也有41 a（1974—2014年），包含了丰、平、枯年，代表性较好。以上资料均为水文部门严格按照规范标准要求进行观测、整编、刊印的成果，数据可靠，精度较高，完全满足分析研究需要。

1.3 主要方法

在收集整理流域水文资料的基础上，综合利用水文学、数理统计学等理论和方法，对祖厉河流域暴雨洪水特性进行分析研究。采用线性回归模型法建立了流域最大暴雨量—暴雨历时关系模型，采用P-Ⅲ型适线法分析计算了干流控制站最大洪峰流量的特征值及不同频率设计洪水，绘制了典型洪水过程、洪峰流量—洪水传播时间关系图，分析了流域洪水演变规律。

2 暴雨特性

2.1 空间分布

祖厉河流域各雨量站不同时段多年平均最大暴雨量见表1，除葛家岔、中川、王马山、大沟、老庄、葛家寨等6站只有6、24 h时段的暴雨量数据外，其余12个雨量站均有6个时段的暴雨量数据。10 min、30 min、1 h、3 h、6 h、24 h流域平均最大暴雨量分别为7.9、13.3、16.6、23.3、27.6、38.2 mm。各站不同历时暴雨量分布总体上呈现上游大于下游、山区大于河谷的特点，最大值主要发生在关川河流域，30 min、3 h、6 h暴雨量最大值均发生在巉口站，分别为14.8、26.5、32.3 mm，10 min、1 h、24 h暴雨量最大值分别发生在头寨子、内官营、葛家岔站，分别为8.9、19.1、43.5 mm，这与关川河流域易发生洪水灾害相一致[9]。由文献[6]可知，甘肃省境内10 min暴雨量为2.5～12.5 mm，30 min暴雨量为5～25 mm，1 h暴雨量为5～30 mm，24 h暴雨量为15～95 mm，本次分析统计的祖厉河流域暴雨量均在该文献成果的范围内，可见结果准确可靠。

2.2 时程分布

祖厉河流域最大暴雨年内分布主要集中在汛期。统计历年最大暴雨发生的时间，其中5—9月的发生频率为95.6%，6—8月的发生频率为80.0%，7—8月的发生频率为68.9%，8月份发生频率最高，达到42.2%。

点绘主要代表站各时段最大暴雨量历年变化过程，如图2所示。可以看出，除会宁站30 min最大暴雨量略有增加外，其余站各时段最大暴雨量均呈减小趋势，其中会宁站24 h、靖远站6 h和24 h最大暴雨量减小趋势最为明显，年均减小0.259、0.225、0.202 mm，其次为会宁站6 h、靖远站3 h最大暴雨量年均减小0.119、0.175 mm。流域暴雨量总体呈减小趋势，这对减少流域暴雨灾害有利[10]。

2.3 最大暴雨量与暴雨历时关系分析

点绘各站多年平均最大暴雨量P与暴雨历时T关系曲线，如图3所示。相关点据以巉口站为最大外包线、西巩驿站为最小外包线，拟合综合关系曲线及外包线得到平均线为

拟合公式相关系数达到0.98以上，可见最大暴雨量P与暴雨历时T的相关性较好。关系曲线在T小于1 h时变化较大，暴雨量增加迅速，1 h以后发生转折，曲线逐渐减缓，暴雨量随历时延长逐渐趋于稳定。在西北地区，这种局地短历时高强度暴雨极易形成巨大灾害，也最难以防范，是山洪灾害预警的重点[11-12]。

3 洪水特性

3.1 洪水时程分布

（1）年内变化。祖厉河流域洪水与暴雨相对应，主要发生在汛期。统计干流3个水文站历年最大洪水发生的时间，计算年最大流量在不同月份发生的频次，结果见表2。可见洪水主要发生在6、7、8月份，频率达到91.4%～94.6%，其中7—8月占78.6%～79.3%。上游会宁站最大洪水7月份发生频次最高，达到46.4%，中下游郭城驿站、靖远站8月份发生频次最高，分别达到42.9%、41.4%[13]。

（2）年际变化。点绘代表站历年最大流量变化过程，如图4所示。可以看出，年最大流量总体呈持续减小的趋势，下游靖远站年最大流量平均每年减小10.1 m3/s，是会宁站、郭城驿站减小量的2倍左右。靖远站不同量级洪峰流量在各年代发生的次数见表3，其中：大于1 000 m3/s的洪峰流量在20世纪80年代以前出现6次，之后再未发生;500～1 000 m3/s的洪峰流量在90年代以前出现11次，之后再未发生;200～500 m3/s的洪峰流量发生频次各年代分布较均匀;小于200 m3/s的洪峰流量发生频次有增加趋势。总体上，流域内发生大洪水的频次在减少，发生较小洪水的频次在增加，这主要与流域内气候变化和大力实施梯田、淤地坝、林草治理等水保措施有关[14-15]。据水保统计资料，截至2014年，祖厉河流域梯田面积达到24.20万hm2，坝地面积达到0.20万hm2，封禁治理面积达到2.07万hm2，林地面积达到18.60万hm2，草地面积达到11.80万hm2，这些水保措施的实施，拦截、滞留、消耗了部分地表径流，致使洪水的频次和量级减小。

3.2 洪水频率分析

采用P-Ⅲ型适线法对会宁站、郭城驿站、靖远站历年最大流量序列进行频率分析，代表站年最大流量特征值及不同频率设计洪水见表4。会宁站、郭城驿站、靖远站历年最大流量均值分别为248、415、474 m3/s，100 a一遇洪峰流量分别为1 263、1 525、2 395 m3/s，50 a一遇洪峰流量分别为1 026、1 297、1 969 m3/s。从上游到下游，年最大流量均值和设计值随着流域面积增加而增大，变差系数CV值由上游的0.98减小到中游的0.70，再增加到下游的1.00，偏差系数CS与CV的比值由中上游的3.5减小到下游的3.0，CV和CS/CV值的变化，主要受到下游区间最大支流关川河洪水的影响。

4 暴雨洪水过程分析

4.1 典型暴雨洪水过程

选取4场典型的暴雨洪水过程（以最大洪峰出现的年月日编号，如图5所示），其中暴雨过程根据雨量观测资料情况，主要点绘了暴雨中心的代表站降水量。流域上下游洪水过程及其相应暴雨时空分布特点如下。

（1）洪水场次的代表性较好。“19590803”“19860626”“19640710”“19950805”洪水最大洪峰流量分别为1 910、1 570、1 090、902 m3/s，重现期分别接近于50、20、10、5～10 a。

（2）上下游洪水过程各有特点。上游水文站集水面积小，洪水过程一般为单峰过程;中、下游水文站控制断面洪水过程经常发生连续涨落的复式洪峰，第一个洪峰为控制断面附近暴雨形成，第二个、第三个洪峰为上游距离控制断面由近及远的干支流洪水传播形成。

（3）流域暴雨量及其时空分布对洪水过程起到决定性作用。4次较大洪水均为全流域普遍发生大暴雨所致，“19590803”暴雨中心由下游向上游移动，暴雨量在31.0～44.2 mm之间;“19860626”暴雨从东、西、北三个方向向流域中心移动，暴雨量在23.6～77.3 mm之间;“19640710”暴雨由中游向上游和下游方向移动，暴雨量在8.9～68.5 mm之间;“19950805”暴雨由上游向下游转移，暴雨量在0.9～58.5 mm之间。可见，暴雨由下游向上游移动、暴雨量在面上分布相对均匀的“19590803”暴雨形成的洪水更大。

4.2 洪水传播时间

洪水传播时间是水情预警预报的重要参考指标，关系到下游防汛部门的决策指挥和应急管理，准确掌握洪水传播时间可以安排相关单位和人员及早防洪和有序撤离[16]。分别点绘祖厉河干流会宁站最大洪峰流量与洪水传播至中游郭城驿站的历时、郭城驿最大洪峰流量与洪水传播至下游靖远站的历时关系，如图6所示。可以看出，尽管点据散乱，但还是有一定的趋势规律，洪峰流量越大，其传播时间越短，其中会宁—郭城驿段洪峰传播时间为5.0～13.0 h，郭城驿—靖远段洪峰传播时间为4.6～11.1 h，这与两段的河长和比降有关，上段会宁—郭城驿段河长为96.7 km，比降为0.189%，下段郭城驿—靖远段距离相对较短，河长为79.6 km，但比降较小，为0.122%，综合影响使两段的传播时间相近，上段稍长于下段。

5 结 语

5.1 主要结论

（1）祖厉河流域10 min、30 min、1 h、3 h、6 h、24 h最大暴雨量多年平均值分别为7.9、13.3、16.6、23.3、27.6、38.2 mm，暴雨量最大值主要发生在关川河流域，分别为8.9、14.8、19.1、26.5、32.3、43.5 mm，總体呈现上游大于下游、山区大于河谷的特点。

（2）祖厉河流域最大暴雨年内分布主要集中在汛期，5—9月发生频率为95.6%，6—8月发生频率为80.0%，7—8月发生频率为68.9%，8月份发生频率最高，达到42.2%;流域历年暴雨量总体成减小趋势，这对减少流域暴雨灾害有利。

（3）拟合最大暴雨量P与暴雨历时T的平均关系曲线及外包线，相关系数达到0.98以上。关系曲线在历时T小于1 h时变化较大，暴雨量增加迅速，1 h以后发生转折，曲线逐渐减缓，暴雨量随着历时延长逐渐趋于稳定。

（4）祖厉河流域洪水与暴雨相对应，主要发生在汛期。历年最大流量总体呈持续减小的趋势，下游靖远站年最大流量平均每年减小10.1 m3/s，是会宁站、郭城驿站减小量的2倍左右，流域内发生大洪水的频次和量级在减小，这主要与流域内气候变化和大力实施梯田、淤地坝、林草治理等水保措施有关。

（5）祖厉河流域洪水过程与暴雨量及其时空分布有关，较大洪水一般是全流域普遍发生大暴雨所致，中下游水文站控制断面洪水过程经常发生连续涨落的复式洪峰。干流洪水传播时间与洪峰流量大小和河道比降有关，洪峰流量越大，其传播时间越短，其中会宁—郭城驿段洪峰传播时间为5.0～13.0 h，郭城驿—靖远段洪峰传播时间为4.6～11.1 h，这与两河段的河长和比降有关。

5.2 建 议

（1）祖厉河流域的水文站一直承担着为下游靖远县城、包兰铁路、青铜峡电厂等防汛部门提供水情报汛的任务。自刘家峡水库1969年建成蓄水运行后，黄河兰州段的洪峰流量大都控制在4 000 m3/s以内，而祖厉河流域无调节水库，10 a一遇的洪峰流量就达1 034 m3/s，汇入黄河后使黄河干流洪峰流量增加26%。為此，今后应进一步加强祖厉河流域的暴雨洪水预警预报，开展黄河上游与下游主要支流洪水遭遇风险分析，更好地进行黄河防汛调度。

（2）流域较大洪水的发生，与相应暴雨量及其时空分布紧密相关，在防灾减灾和洪水预警预报中，除了关注暴雨量以外，还要注意暴雨的分布走向和区间支流加入造成复式洪峰过程，以便做出相应的防御决策。

（3）人类活动对流域下垫面的改善，大大减小了流域洪水发生的频次和量级，建议继续加大流域综合治理，积极推进梯田、淤地坝等水保措施建设，减少水土流失，增强流域水量调蓄功能。

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【责任编辑 张 帅】