Journal of Water Resources Research
Vol.05 No.02(2016), Article ID:17444,8 pages
10.12677/JWRR.2016.52023

Analysis of Storm-Flood Characteristics and Flood Peak-Volume Relationship in Ningxia

Wanbao Zhang1, Xinguo Su1, Xiumei Yang2

1Hydrology and Water Resources Survey in Ningxia, Yinchuan Ningxia

2Aiyihe Administration, Yinchuan Ningxia

Received: Mar. 30th, 2016; accepted: Apr. 16th, 2016; published: Apr. 27th, 2016

Copyright © 2016 by authors and Hans Publishers Inc.

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ABSTRACT

Local rainstorm frequently occurs in Ningxia, with the characteristics of big intensity and short duration. River basin area is mostly small in this region. Affected by great variation of rainstorm’s schedule and spatial distribution change, rainstorm and the flood produced often have different return periods, and also do the flood peak and volume of the same site. There is a large difference between this characteristic and hypothesis that flood peak and volume produced by rainstorm have the same co-occurrence frequency in the design flood estimation. By analyzing the observed data of representative hydrological stations, the regional flood peak has a poor correlation with the flood volume. The main factors affecting the flood peak and volume are the schedule and spatial distribution of rainfall, rainfall intensity, the process that the flood produces and so on. The consistency of the return period of rainstorm and flood is analyzed through typical cases, providing reference to grasp the regional rainstorm and flood characteristics and design flood estimation.

Keywords:Storm Floods, Frequency, Peak-Volume Relationship, Ningxia

宁夏暴雨洪水特点及峰量关系分析

张万宝1,苏新国1,杨秀梅2

1宁夏水文水资源勘测局,宁夏 银川

2宁夏艾依河管理局,宁夏 银川

收稿日期:2016年3月30日;录用日期:2016年4月16日;发布日期:2016年4月27日

摘 要

宁夏局地暴雨较多,具有暴雨强度大,历时短的特点。区内大多河道流域面积小,受暴雨时程分布、空间分布变化较大的影响,暴雨与其产生洪水的重现期往往不同,且同一站点产生的洪水其洪峰与洪量的重现期也不同。这一特点与设计洪水计算中暴雨所产生的洪水(洪峰与洪量)同频率的假定有较大差异。通过用代表水文站实测资料分析,本区域洪峰与洪量相关性差,并通过典型实例分析暴雨与洪水重现期的一致性,影响洪峰与洪量的主要因素为降雨时空分布、降雨强度以及其产生的洪水过程等,通过典型实例分析暴雨与洪水重现期的一致性,为掌握本区域暴雨与洪水特性以及设计洪水计算提供参考。

关键词 :暴雨洪水,频率,峰量关系,宁夏

1. 引言

宁夏地处西北内陆,暴雨有明显的季节性,7、8月为暴雨洪水的主要发生季节,且大因暴雨引发的洪水灾害常有发生。宁夏局地暴雨较多,具有暴雨强度大,历时短的特点。受暴雨时程分布、空间分布变化较大的影响,暴雨与其产生洪水的重现期及洪峰与洪量的重现期有较大差异。近年来,水利工程建设项目多,区内大多河道流域面积小,水文站点少,大多为无资料地区,采用《宁夏暴雨洪水图集》进行设计洪水计算,设计洪水计算成果的合理性成为影响水利工程设计特别是工程建设投资的主要因素。为了研究本区域水文特性,通过代表水文站实测资料分析暴雨洪水特性以及洪峰与洪量的关系,为无资料地区设计洪水计算成果合理性分析提供参考。

2. 地理水文概况

1) 自然地理。宁夏地貌分区主要分为:宁夏南部黄土丘陵沟壑区、荒漠草原内流区、引黄灌区、贺兰山区。宁夏地势南高北低。自南向北分跨三个气候带。原州区以南属暖温带半湿润区,原州区以北至海原中部,属中温带半干旱区,海原北部至引黄灌区属中温带干旱区,按降水等值线将其分为三大地理单元,即年均降水小于200 mm的北部引黄灌区、年均降水在200~400 mm间的中部干旱风沙区和年均降水量大于400 mm的南部黄土丘陵区。

2) 水系分布。黄河支流水系有祖厉河水系、清水河水系、苦水河水系、葫芦河水系、泾河水系及黄河两岸诸沟。祖厉河、清水河、苦水河为黄河一级支流,葫芦河、泾河为黄河二级支流。流域面积以清水河最大,径流量以泾河最多(见图1)。

3) 水文站点。现有水文站44处,其中山区河道站16处,区内黄河干流水位站8处,洪水调查断面42处。水文站点分布见图2

4) 暴雨洪水特点。宁夏暴雨的发生有明显的季节性,7、8月为暴雨的主要发生季节,根据历年暴雨统计,7、8月暴雨次数占年发生暴雨总数的85%以上,其中8月份占55%以上。暴雨以局地小范围短历时暴雨较多,一般在3 h以内,强度较大。

洪水的特点与暴雨相关,主要发生在6~9月,7、8月占70%~90%,产流多以局地产流,大范围全流域产流较少。因多数洪水由局地暴雨产生,洪水历时较短,一般不超过一天 [1] [2] 。

Figure 1. Ningxia water distribution

图1. 宁夏水系分布图

3. 典型暴雨洪水的重现期

3.1. 典型暴雨分析

1) 1998年5月20日,贺兰山出现较大范围的暴雨,其中苏峪口站实测6 h降雨量达到167.8 mm,达100年一遇,1 h降雨量仅为30年一遇。

2) 2002年6月7日,宁夏大范围降雨,暴雨的特点是笼罩范围大,大于50 mm的雨区面积占全区总面积

Figure 2. Ningxia hydrological site map

图2. 宁夏水文站点分布图

的64%。暴雨重现期:贺兰山3处暴雨中心雨量12 h、24 h降雨达到20年一遇。6 h暴雨仅小口子为20年一遇,其它两站为5年一遇。

3) 2013年西吉县等地出现较大暴雨,根据实测暴雨资料分析,1 h、6 h降雨量发生的频率不同频,6 h降雨重现期远高于1 h降雨重现期。

综合以上分析,1 h、6 h降雨量与设计洪水计算的1 h、6 h设计暴雨差异,即典型暴雨中1 h、6 h降雨量重现期不同频,且1 h降雨量占6 h降雨量的比例大部分比设计洪水计算中采用同频内包雨型计算的设计暴雨明显偏小。设计暴雨是在一定假定1 h、6 h降雨量同频率出现条件下暴雨产生的洪水,而实际发生的暴雨和洪水往往与设计值有一定的差异。

3.2. 典型洪水分析

1) 贺兰山汝箕沟实测洪水

汝箕沟水文站2009年发生了设站以来最大洪水,洪峰流量为674 m3/s;次大洪水发生于1979年,洪峰流量为592 m3/s (见表3)。

根据《宁夏洪水调查资料汇编》中贺兰山地区洪水调查及考证,自1902年以来,贺兰山多处发生大洪水,但没有汝箕沟的记载,因此,参考考证期的洪水情况,在2009年最大洪水未出现前,实测资料系列为(1966~2008),1979年的洪峰流量的重现期为100年一遇的洪水。

当2009年洪水出现后(1966~2010),则2009年洪水为100年一遇,1979年的洪水为50年一遇;但从两次洪水的发生的年份分析,仅相隔30年。

由以上分析得出:洪水重现期随资料系列延长而变化。

2) 清水河韩府湾水文站实测洪水

清水河韩府湾水文站1959年设站,1995、1996年相继出现较大洪峰。其中1995年发生的洪水是设站以来最大的。洪峰流量分别为:1500 m3/s、1110 m3/s。从频率分析,1995年洪水相当于50年一遇,1996年洪水相当于30年一遇,但实际上这两次洪水连续出现。

由以上分析得出:洪水的重现期只是一个偶然事件发生的可能性。

4. 洪峰流量与洪水总量的关系

对于同一流域,降雨强度和降雨总量是影响本次降雨所产生的洪水过程的关键因素,降雨强度是影响洪峰流量大小的决定性因素,降雨总量是影响洪水总量的决定性因素。一次降雨能够形成的洪水的大小,同时受前期降雨量、降雨的时空分布特征等因素影响 [3] 。

根据泾河源、鸣沙、汝箕沟水文站实测资料(见图3图4表2),统计较大场次洪水的洪峰流量与洪水总量,建立其洪峰流量与洪水总量的相关关系,大部分场次洪水的洪峰流量与洪水总量具有洪峰大、洪量相应也大的关系,但其相关性较差,相关系数分别0.21,0.4、0.48。有部分场次洪水出现不规律的情况。如泾河源站1981年8月21日与1984年7月10日的两次洪水,洪峰相差不大,但洪量相差40%左右,1989年7月18日的洪水洪量偏小(见表1)。汝箕沟站2009年洪水最大洪峰流量674 m3/s相当于100年一遇,洪量为379 m3/s,相当于30年一遇;2006年实测最大洪峰流量347 m3/s,不足20年一遇,洪量为650 m3/s,相当于100年一遇(见表3图5)。

通过以上水文站实测资料分析,可以得出以下结论:一是洪峰与洪量不同频的现象较多,二是洪峰与洪量有一定的相关关系,但相关性较差。

5. 影响洪峰与洪量的因素分析

以汝箕沟站发生的2009年7月7日和2006年7月15日实测洪水为例进行分析。

1) 降雨的时空分布。2009年降雨的时间及空间分布特点是:从降雨强度来讲,处于最上游的西沟门最先出现较大强度降雨,最大1 h降雨出现在20:30~21:30之间,其他两站的最大1h强降雨出现在22:30~23:30之间。最大暴雨相差约2.0 h。也就是说,暴雨中心自上游向下游移动。西沟门最先出现洪水,在河道汇流过程中不断接受区间暴雨产生的洪水,且西沟门距离水文站断面15 km,洪水在河道的平均流速在2.5~3.0 m,从西沟门至汝箕沟口汇流时间在1.5~2.0 h,正好与下游强降雨形成的洪水叠加,形成的洪峰流量大,超过暴雨的重现期。

降雨的时空分布存在不确定性,受暴雨中心的位置、降雨的时间变化、空间上的上下游不同情况下,其洪

Table 1. Flood peak volume and total volume in Jingheyuan station

表1. 泾河源站洪峰流量与洪水总量统计表

Table 2. Flood peak volume and total volume in Minsha\ station

表2. 鸣沙站洪峰流量与洪水总量统计表

Table 3. Flood peak volume and total volume in Ruqigou station

表3. 汝箕沟站洪峰流量与洪水总量统计表

Figure 3. Flood peak-volume relation in Jingheyuan station

图3. 泾河源站洪峰与洪量相关图

Figure 4. Flood peak-volume relation in Mingsha station

图4. 鸣沙站洪峰与洪量相关图

Figure 5. Flood peak volume and total volume relation in Ruqigou station

图5. 汝箕沟站洪峰流量与洪水总量相关图

Table 4. Comparison of heavy rain area and total precipitation

表4. 暴雨笼罩面积及降水总量对比表

峰流量存在较大差异 [4] 。但在多数情况下,降雨的重现期高于洪水的重现期。

2) 降雨的强度。2009年7月7日暴雨与历史上2006年7月15日暴雨相比,本次暴雨大于50 mm以上各级降雨范围笼罩面积、降水总量均小于2006年暴雨,但暴雨相对集中,降雨强度大。降雨主要集中在6小时内,占总降雨量的92.8%,选用代表站汝箕沟和黄草滩降雨分析,1 h降雨强度大于2006年的暴雨,达到三十年一遇(见表4)。

3) 洪水历时。洪峰与洪量的频率不对应的主要原因是洪水过程差异加大。其中。2006年7月15日的洪水过程为复式洪峰,出现两个洪峰,且洪水过程历时较长,过程大于10小时,而2009年7月7日的洪水过程为单洪峰,洪水过程仅5小时。

6. 结论

1) 宁夏局地暴雨较多,具有暴雨强度大,历时段的特点,大多流域面积小,暴雨时程分布、空间分布变化较大,常造成暴雨与洪水不同频率出现。

2) 同一站点其洪峰流量的重现期只是一个偶然事件发生的可能性。且随资料系列延长而发生变化。

3) 代表水文站实测洪峰与洪量相关分析,其相关系数在0.21~0.48之间,相关性较差。

4) 影响洪峰与洪量的主要因素为降雨时空分布、降雨强度以及其产生的洪水历时及前期降雨等。造成洪峰流量与洪水总量的相关性较差,也即最大洪峰流量与之所对应的洪水总量不同频率。

5) 实测资料分析结果与设计洪水计算中暴雨与洪水以及洪峰与洪量同频率的假定有一定差异。

文章引用

张万宝,苏新国,杨秀梅. 宁夏暴雨洪水特点及峰量关系分析
Analysis of Storm-Flood Characteristics and Flood Peak-Volume Relationship in Ningxia[J]. 水资源研究, 2016, 05(02): 174-181. http://dx.doi.org/10.12677/JWRR.2016.52023

参考文献 (References)

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