沂沭河流域暴雨洪水特性分析

段伟华

(临沂市水文中心,山东 临沂 276000)

1 基本情况

1.1 自然地理及工程概况

沂河发源于沂源县鲁山南麓,是鲁南地区跨省的最大山洪河道,在山东省境内长度287.5km,流域面积10772km2。干流控制站临沂水文站以上流域面积为10315km2,河道干流长度227.8km,干流平均坡度0.96‰,流域形状呈扇形。大的支流有东汶河、蒙河、祊河,从右侧注入。沂河控制临沂站上游建有5座大型水库23座中型水库,总控制面积5121km2。沂河干支流上先后修建了47处拦河闸和橡胶坝。

沭河发源于沂水县沂山南坡,在山东省境内长度253km,流域面积5747.4km2,干流控制站大官庄水文站以上集水面积4529km2,河道干流长度205.5km,干流平均坡度0.77‰,流域形状呈柳叶状。大的支流有浔河、袁公河,从左侧注入。沭河控制大官庄站上游建有4座大型水库3座中型水库,总控制面积1635km2。大官庄站建有控制沭河洪水分流的人民胜利节制闸和新沭河泄洪闸。沭河干支流上先后修建了15处拦河闸和橡胶坝。

2 暴雨特性

2.1 流域气候特征

沂沭河流域属于温带季风区、半湿润过渡性气候,具有大陆性气候的特性。四季分明,光照充足。夏热多雨,夏季亚热带太平洋暖湿气旋增强,冷暖气旋在该地区交会的机会大大增多,雨量集中。

2.2 暴雨成因

沂沭河流域暴雨形成的主要天气系统主要有:黄河气旋、低涡、切变线、西风槽、锋面、台风、台风倒槽等。

2.3 暴雨特点

2.3.1 暴雨丰枯年交替变化规律

依据沂沭河暴雨实测资料(1955—2020年),绘制了汛期(6～9月)和全年的过程线。分析出有两个较长的丰、枯周期,1956—1974年为丰水年,1975—1989为枯水年。还有几个较小的丰、枯水年组穿插交替出现。比如1997—2002为枯水年组;2003—2008为丰水年组;2020—2021的丰水年组。1956—1974年为连续丰水年组最长,此阶段6～9月的平均降雨量622.7mm,比多年平均565.5mm偏大10.1%;1956—1974时段年平均降水量863.3mm,比多年平均降水量796.3mm偏多8.4%。1975—1989年连续枯水年组为长,其6～9汛期月平均降雨量477.6mm,比多年平均汛期降雨量偏少15.5%;1975—1989年枯水年组年平均降雨量698.4,比多年平均降雨量偏少12.3%[1]。分析降雨可以看到一个趋势,随着生态环境的改变,丰水年组越来越多,雨量也逐渐变大,2020年沂沭河流域就出现了有实测资料以来的年最大降雨1207.4mm。

2.3.2 暴雨时程分配不均

沂沭河流域降雨年内分配不均。70%的是集中在汛期。汛期是从6月上旬开始到九月下旬结束。主汛期主要集中在六月下旬到八月中旬。降雨量主要以汛期场次暴雨呈现,平均每年暴雨次数6～9场次,最少的年份2～5场次,丰水年最多年份可达10场次以上。从多年平均六至九月降雨量分配,可以看出,每年沂沭河流域主要降雨集中在7、8月份,6月份次之。7月降雨主要集中在7月下旬,8月份降雨主要集中在8月上中旬,2020年汛期降雨高达877mm,创历史新高,主要集中在8月14日一场大暴雨。从多年平均来看6、7、8、9月份降雨占整个汛期降雨分别为17.8%、37.9%、30.3%、14%。这也充分说明沂沭河流域暴雨主要发生在每年汛期的7～8月份。沂沭河暴雨洪水丰、枯年是连续和间断中交替出现的。

2.3.3 暴雨空间分布差异

通过对沂沭河流域代表站多年平均降雨量的分析,本流域暴雨在空间分布也是不均匀的。总趋势是从东南向西北递减,多年最大24h降雨,流域中游均值为110.4mm,中游到上游均值递减为100mm以下;中游到下游均值由110.4递增到120.0mm以上。整个流域上游出现两个低值区均值均在100mm以下,一个在沂河干流上游;一个在沂河支流祊河的上游。流域下游有5降雨量高值区域,多年24最大h的均值均在120mm以上,沂河支流上游费县温凉河;沂河干流中游沂南一带,此处也是沂河流域暴雨中心的多发地,沂河临沂断面的大洪水,很多是由于此地形产生暴雨形成的。沭河流域两个24h最大降雨高值区,一个是沭河中下陡山水库、一个在莒南县城附近石泉湖、郯城县的大官庄一带。2020年8月14号陡山水库水库24h降雨467.0mm,概率计算为300a一遇,由此造就了沭河控制站大官庄有实测资料以来历史最大洪峰6700m3/s。沂沭河流域暴雨规律和天气系统的水汽输送是一致的。在东汶河的中游和蒙河的上游,有一个24h最大高于110mm的区域,该处因为地势较高,位于蒙山山前,气流遇到阻力抬升所导致的[2]。

2.3.4 短历时高强度小范围的特大暴雨时有发生

1993年8月4日降雨,就属于此类暴雨。8月4日14时～8月5日14时,沂河流域中下游发生大暴雨,总降雨历时12h,流域平均降雨量140mm,雨量主要集中有效历时的12以内,最大点雨量费县的探沂536.5mm,概率相当于500a一遇。

3 洪水特点

3.1 洪水陡涨陡落,明显具有山洪特性

沂沭河流域地形从西北向东南逐渐降低的走势,由山丘地逐渐过渡为倾斜冲积平原、滨海平原。区域地貌可分为中高山区、低山丘陵、岗地和平原四区域。沂沭河中上游属于山地丘陵区,诸河干流坡度较大,汇流时间短,从起涨到出现入库洪峰上游大中型水库,雨停只需要几个小时,中下游河道控制站一般需要10～20h,一次洪水过程一般1～5d。洪水特点陡涨陡落十分明显,相邻两次降雨形成的洪峰很难重叠,所以复峰现象相对较少[3]。

3.2 历年洪水丰枯变化明显

根据1555—2020年实测水文资料, 点绘沂沭河流域代表站临沂、大官庄逐年最大实测洪峰流量过程线如图1所示,分析其特点。

图1 沂河临沂站、沭河大官庄(新)站历年最大洪峰流量图

3.2.1 年最大洪峰流量年际变化较大

据历史调查沂河流域临沂水文站最大洪峰流量发生在1730年,调查最大洪峰流量30000m3/s,有实测资料以来的最大洪峰流量15400m3/s,发生在1957年;实测最小洪峰流量95.2 m3/s,发生在1983年。实测最大最小洪峰年际变化达161之多。沭河代表站大官庄水文站,历史调查最大洪峰流量16000 m3/s,发生在1730年。有实测资料以来最大流量6700m3/s,发生在2020年8月。实测最小洪峰流量124.3 m3/s,发生在2002年,实测洪峰年际变化达43.5倍。经矩法计算,沂河流域临沂站实测洪峰的变差系数为1.01;沭河大官庄站实测流量的变差系数为0.86。

3.2.2 连续丰水年和连续枯水年周期交替出现变化明显

根据沂沭河流域68年实测资料分析,可得出两个较长的丰、枯水年和几个较短丰枯水年。其中1953—1974年为连续丰水年,汛期沂河、沭河流量分别偏大多年平均值48.6%,39.1%;1975—1989年为连续枯水年,汛期沂沭河流量分别偏小于多年平均值70.4%、52.6%。由此看出沂沭河流域丰枯水年,是交替出现的,只是有的时间长些,长的可达十几年如1953—1974、1975—1989。有时交替时间相对短些,如丰水年1990—1996,枯水年1998—2002年等,有的甚至一两年就发生交替。由此造成该流域严重的丰枯不均的现象。

3.3 上游水利工程水库橡胶坝对造峰、削峰作用明显

自1960年以来,沂沭河流域上游,修建了大量的大中型水库、塘坝和拦河闸。这些水利工程的建设,对沂沭河年径流分配、场次暴雨洪峰流量起到不同程度的调蓄作用。以沂河流域代表站临沂水文站为例,绘制临沂1951—2020以来逐年实测最大洪峰流量及还原后的最大实测还原流量图2可以看出,自1960年建库以来,沂河下游洪水,明显受上游水利工程调蓄的影响。上游水库对下游断面洪峰的削减是非常明显的。也就是说,因为上游水利工程拦截调蓄作用,1974年8月14日洪水的实测洪峰流量,被削减23.7%。1993年8月5日洪水,临沂站实测流量8140m3/s,若没有上游工程调节该站将出现洪峰流量为12820 m3/s,消减洪峰36.5%。同样沭河“74.8.14”新沭河实测洪峰流量量为4250m3/s,老沭河胜利堰实测洪峰流量为1150m3/s,通过上游水利工程还原计算,如果没有上游水利工程的调节,大官庄水文站74.8.14的实测洪峰流量为11100m3/s。通过资料统计分析,沂沭河流域上游水利工程,多年平均削减下游断面洪峰流量为20.4%。近几年沂沭河流域,又增加了多处,拦河闸、橡胶坝。一是为了城市景观,另一方面也为了水资源保护、利用和生态管理,同时对河道断面的洪峰流量又有了不同程度的调节,沂沭河流域控制断面预报更加复杂。这也给当前防汛部门,提出了新的课题,新的挑战。

图2 沂河临沂站实测洪峰流量和还原后流量对比图

4 结 语

沂沭河流域暴雨频繁,洪水亦是暴涨暴落,防洪减灾任务重,加强暴雨洪水分析和研究对洪水预报、预警有较好的指导作用。为了资料更充分满足沂沭河流域,暴雨洪水研究,沂沭河流域近几年,增加了中小河流站网的布设,同时也对城市河流加密了流量监测断面和雨量监测站点。