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第2章 认识洪水(2)

我国河流洪水的发生,最多的原因就是由暴雨导致的,尤其是夏秋季节,发生的时间由南往北推移。

暴雨洪水又可细分为:上游洪水、下游洪水。

上游洪水一般又指山洪,因为河流的上游多在山区,地形复杂,降雨一般由小气候条件决定。当暴雨发生时,山谷中的水流量会几倍到几十倍地增加,最后咆哮而下,具有强大的破坏力。虽然这种洪灾发生的时间很短,影响的区域有限,但破坏力非常惊人。

例如,2005年6月10日,一场200年一遇的强降雨发生在黑龙江省宁安市的山区,致使沙兰河上游在40分钟内,降雨量达到150~200毫米,瞬间形成巨大山洪轰然而下,地处低洼的沙兰镇中心小学,整个操场顿时一片汪洋,洪水高达2米,从门、窗同时灌进了教室。当时300多名师生正在上课,除少数人跑了出来,其余师生都被淹死或闷死在教室里。

下游洪水的形成,一般是因为河流的流域出现大面积暴雨,致使河道排洪能力不支,洪水溃堤而出,并迅速淹没广大的平原低地。尤其下游平原多为人口密集、经济发达的地区,因而洪水的入侵往往会造成巨大的损失。

融雪洪冰是由冰融水和积雪融水而形成的汛期洪水,多分布在高纬度地区或是海拔较高的山区。其特点是:洪水历时长,涨落缓慢,受气温影响,具有明显的日变化规律,洪水过程呈锯齿形。在我国,融雪洪水一般发生在4~5月份,冰川洪水一般发生在7~8月份。例如,前一年冬季降雪较多,到了第二年春夏季节气温回升较快的时候,就会导致大面积的积雪融化,从而形成较大洪水。

1996年的冬天,美国明尼苏达州和北达科他州下了多次较大的雪,总厚度高达2~3米。1997的春天,雪融化后,大量的雪水涌入红河。4月18日,红河开始泛滥,洪水淹没300多栋房屋,10余万居民被紧急疏散。这次洪水不仅给当地社会经济造成了巨大的损失,极大地破坏了生态环境,还产生了2亿多吨的垃圾。

冰凌洪水,又称凌汛,是地处较高纬度地区河流特有的水文现象,是指由于大量冰凌阻塞形成的冰塞或冰坝截住了上游来水,导致水位囤积而不断增高。当气候转暖,冰块开始融化,或者水位上升到一定高度,洪水便迅速下泻,往往造成严重的破坏力。因此,要加强监测,在需要的时候采用轰炸破冰等手段来疏通河槽。

在我国,冰凌洪水主要发生在黄河河道的宁夏、内蒙古、山东河段以及松花江哈尔滨以下河段。

例如,2001年12月20日,内蒙古自治区乌海市乌达区黄河凌汛决堤,河水淹没了桥西镇和乌兰乡等5个村落,受灾面积近50平方千米,约有900户、4000余人受灾,死亡大小牲畜4900余头,房屋道路受到严重破坏,15千米乡村公路、6座扬水站被毁。

按发生地区分类

按照洪水发生地区的不同,可将洪水分为山地丘陵区洪水、平原地区洪水和滨海地区洪水。

由于地面和气候条件的不同,这几种洪水的性质和特点也有很大的差别。一般情况下,山地丘陵区洪水影响范围小,历时短暂,但是破坏力非常大,常常会毁坏建筑物,造成人员伤亡。并且这类洪水突发性很强,进行预测和预防比较困难,上文中提到的,造成巨大损失的黑龙江省宁安市沙兰镇的洪灾就属于此类洪水。

平原地区洪水的特点是积涝时间长,影响范围广。主要是由于来自上、中游山地或丘陵区的洪水峰量过大,排泄不畅,从而冲毁或漫过堤坝淹没平原造成的。由于平原地区通常是工农业以及城镇集中地区,洪水往往会造成巨大的经济损失。

滨海地区洪水主要是由台风暴潮、天文大潮以及海啸等造成的,其灾害的特点和致灾的因素又有很多不同。

按其他标准分类

除此之外,洪水还可以按照不同的分类标准进行划分。例如,按洪水发生的流域范围,可分为流域性洪水与区域性洪水;按洪水重现期,可分为常遇洪水、较大洪水、大洪水与特大洪水;按照洪水发生的时间长短,可将其分为渐发性洪水和突发性洪水(如堤坝崩溃、山洪导致的洪水等)。

洪水频率、重现期与洪水等级

在已掌握洪水资料系列中,洪水要素实际出现的次数与总次数之比称作洪水频率。我们一般所说的洪水频率是指洪水累积频率P,P值越大,表示某一量级以上的洪水出现的机会越多,则该洪水要素的数值越小;P值越小,表示某一量级以上的洪水出现的机会越少,则该洪水要素的数值越大。

洪水重现期是指某一特定大小洪水出现的平均时间间隔。可以用洪水重现期来衡量洪水的大小,任何一条河流,都有与每一次洪水重现期相应的水位和特征峰值流量。如某一量级的洪水的重现期为10年,那么就称为10年一遇洪水,重现期为100年,就称为100年一遇洪水。重现期越短,表示洪水量级就越小,越常见;重现期越长,表示洪水的量级就越大,越是少见。一般情况下,洪水重现期是在洪水频率分析的基础上估算确定的。

洪水等级是确定防洪工程建设规模的一个非常重要的依据,是衡量洪水大小的一个标准。由于洪水特性的复杂性和洪水要素的多样性,洪水等级可以从不同的角度进行划分。通常情况下,我们是根据洪水频率(或洪水重现期)来确定洪水等级。我国《国家防洪标准》认为:

N=1的洪水为小洪水;

N=2的洪水为一般洪水;

N=3的洪水为较大洪水;

N=4的洪水为大洪水;

N=5的洪水为特大洪水;

N=6的洪水为非常洪水。

(N代表洪水等级)

地球表层环境由大气圈、岩石圈、水圈、生物圈共同组成,洪水即孕育其中,它的发生属于自然变异现象。如果只是发生在人迹罕至的地方,没有承受灾害的客体,就不会形成自然灾害,但是如果洪水发生在有人类活动的地方,尤其是人群密集区,对人类社会和自然资源、自然环境将造成巨大的损失和人员伤亡,就会形成洪水灾害。所以,洪水灾害的形成需要具备两个条件:①自然环境发生变异从而诱发洪水的形成。②洪水影响地区有人类居住或者分布有社会财产,即有承受灾害的客体,造成人员的伤亡和财产的损失。

洪水灾害是由人和自然相互作用产生的复杂灾害,其发生与危害对当地的各种自然环境条件以及人类活动产生重要影响。地球上不同大洲、不同国家,甚至在同一国家的不同地区,由于自然环境和社会经济发展水平不一,洪水灾害的发生和产生的影响也各不相同。如果洪水强度相同,经济水平高但防灾抗灾能力低的地区,洪水灾害的危害程度就高;反之,在经济水平低但防灾抗灾能力强的地区,危害程度就低。例如,同样大小的洪水会因河道的整治标准不同、两岸的工农业发展程度不同、人口密度和社会财产的集约化程度不同而造成不同的灾害影响。

洪水大小的衡量方法

和世界上任何东西一样,洪水也有大小之分。科学衡量洪水的大小对于防洪调度、管理决策有着重要意义。一般来说,衡量洪水大小有以下两种方法。

1.习惯上的衡量法

根据历史洪水资料,并考虑堤坝的防洪能力,一般将洪水大致分为大、中、小三种情况。当洪水超过历史纪录时,则又习惯称为历史最大洪水,亦有根据洪水的量级过大,称为特大洪水;也有按江河、湖泊、水库的警戒水位、保证水位(或相应流量)等指标,表示洪水的量级大小。

2.洪水频率或重现期衡量法

通常用洪水出现的频率(%)或重现期(年)表示,可定量地衡量洪水的大小。出现频率(%)越小,表示某一量级以上的洪水出现机会越少,反之则出现的机会越多。如以洪水的重现期衡量洪水的大小,则更为明确。如某一量级洪水的重现期为100年,则称为100年一遇洪水;重现期为50年,则称为50年一遇洪水;重现期为10年,则称为10年一遇洪水。重现期越长,表示洪水的量级越大,越稀遇;反之,则表示洪水的量级越小,越常见。这种衡量洪水的方法,在水利水电工程规划设计中常常作为工程设计的标准。例如,对沿江河特别重要的城市,防洪工程设计标准按防御大于100年一遇洪水设计,中等城市防洪工程设计标准按防御20~50年一遇洪水设计。

结合我国的江河防洪能力,对洪水的等级一般划分如下:

重现期在5年以下的洪水,为小洪水;

重现期为5~20年的洪水,为中等洪水;

重现期为20~50年的洪水,为大洪水;

重现期超过50年的洪水,为特大洪水。

影响洪水大小的因素

影响洪水的因素是多方面的,洪水的产生及其大小也是多因素综合作用的结果。对洪水的影响因素大体上可分为两大类:一类是降雨因素,另一类是下垫面因素。了解洪水的影响因素,对洪水的设计和防治是有益的。

降雨因素

大气降雨与气象条件有关,气象条件又受到大气环流、太阳辐射及天体运动所制约,往往会产生不同的天气过程而致雨,如气旋雨、对流雨、锋面雨及台风雨等。气象条件决定了降雨特性,降雨特性一般用降水“三要素”表示,所谓降水三要素,是指在一次天气过程中,所产生的降水总量(毫米)、降雨历时(小时)及降雨强度(毫米/小时)。降雨特性是成洪的主导原因,雨量大、强度也大的暴雨,要比雨量小、强度也小的暴雨产生的洪水大。另外,暴雨的时空分布对洪水也有重要影响,例如,先小后大的降雨过程要比先大后小的降雨过程产生的洪水大;暴雨中心发生在流域中下游形成的洪水往往要比发生在中上游时形成的洪水要大;暴雨中心从上游向下游移动时,要比从下游向上游移动时所产生的洪水大。

降雨特性受控于降雨形成机制的两个主要气象要素,一是产生空气上升冷却的动力因子,二是空气中水汽的含量及补给来源。我国绝大多数江河的汛期主要是伏汛和秋汛,称为主汛期,因为在夏秋季节大气活动十分活跃,形成动力上升的天气系统频发,同时也是空气中水汽含量最高的季节,所以也是暴雨的多发季节。虽然各大江河的主汛期不完全同步,但都在5月至9月的主雨期范围内,并且多集中在夏季6月至8月三个月,往往一两个月的降雨量可达全年降水量的25%~55%,甚至一个月的降水量几乎由几次大的降水过程所决定。

所以,洪水的发生一般与暴雨的发生在季节上基本是同步的,这种现象在北方地区尤其明显。如1963年海河流域大面积降雨,最大一天的降雨量达865毫米,超过了当地多年平均年降水量,造成了十分罕见的洪涝灾害。我国东南沿海地区,降水常与台风有关,江淮一带的梅雨季节常会出现台风暴雨或特大暴雨。如1954年长江流域的梅雨季节,大范围持续性降雨,同遇淮河洪水并涨,致使江淮地区遭受重大洪灾;又如1975年8月,强台风在我国登陆,深入到河南省驻马店地区的林庄一带,出现了24小时降雨量达到1060毫米的特大暴雨,导致水库溃坝,洪水泛滥成灾,给当地造成极大的人员伤亡及财产损失;2006年,台风在浙江、福建沿海一带多次登陆,产生特大暴雨而形成了洪灾,也造成了很大的损失。

下垫面因素

下垫面因素包括地质、地貌、植被、土壤水分、湖泊及流域面积等。另外,人类活动对下垫面条件产生扰动,所以也间接地对洪水产生影响。

(1)地质条件包括土壤的发育厚度、层次分布、颗粒组成、结构及岩层的水理性质等,它们直接影响到土壤的空隙性、透水性、持水性和给水性。地质条件关系到流域的产汇流机制,对于洪水径流成分的组成比例有重要的影响作用。透水性好、持水性差的土壤能够产生较大比重的地下径流;反之,透水性差、持水性好的土壤,产生的地下径流就少。由于地下水汇流十分缓慢,所以地下径流比重大时,河道洪水往往是历时长,洪峰小,有利于形成“肥胖型”的洪水过程。

(2)地貌条件主要指流域内的地形起伏变化和流域的平均坡度,对流域汇流有重要影响。如果地形起伏变化大并且流域坡度也大,地表径流和地下径流的汇流速度较快,有利于形成“尖瘦型”的洪水过程。另外,高大的山脉,对迎面而来的暖湿气流产生抬升作用,导致地形雨,增加当地的降雨量。在坡度较大的山区,遭遇暴雨时还容易发生地质灾害,如泥石流、山洪等,增加固体径流和洪量,加剧了洪水的破坏力。

(3)植被条件是指植物的现存状况,包括乔木、灌木、草本植物及农作物等。对洪水影响作用的实际效果而言,植被主要是指森林植被。森林植被的好坏可用森林的数量和质量指标进行定量描述。森林的数量指标通常采用覆盖率表示,即一个流域内或一个地区有林面积与总面积的比值,它反映了一个流域或地区的森林化程度的高低。森林的质量指标通常采用单位面积的林木蓄积量(或称材积量),它反映了森林植被的优劣状况和不同的林龄。如森林覆盖率相同,发育良好的成熟林,其蓄积量较大,生长发育不好或中幼林的蓄积量较小。森林植被不仅影响流域产流(洪量),而且影响流域汇流(洪水的峰值和洪水历时),特别是对洪水的调蓄作用比较明显。在森林植被数量多、质量好的流域上,林冠层和枯枝落叶层对暴雨截留量较大,一次降雨截留量最大可达20毫米;由于林地土壤植物根系发达,土壤动物繁多,在土壤中形成了良好的水分通道,所以森林土壤的渗透性较强,下渗能力要比无林地大得多,而且一般大于降雨强度,容易增加地下径流比重。再有,土壤表面的枯枝落叶层和腐殖质层增加了地表粗糙度,阻碍地表水流的运动,对坡面径流起到延滞和调节作用。所以在多数情况下,森林植被能够减少洪量、降低峰值、延长洪水历时,往往有利于形成“肥胖型”的洪水过程。另外,森林具有保土作用,发生暴雨洪水时能显著地减少河道水流的泥沙含量,河流泥沙也称为“固体径流”。从某种意义上来说,森林植被能够减少固体径流,这对防洪是十分有利的。

(4)土壤水分条件反映了暴雨开始时的土壤干湿状况,通常用土壤含水率(%)、土壤蓄水量(毫米)或前期影响雨量(毫米)表示。土壤水分条件与蒸发能力、前期降雨量的大小、时间间隔及土壤物理性质等因素有关,特别是蒸发能力的影响最为重要。土壤水分条件主要影响到暴雨的产流量,体现在两个方面:其一,雨前土壤越湿润,下渗率越小,减少降雨的下渗损失;其二,雨前土壤水分越多,需要补充的土壤缺水量越少,对降雨量的损失就越少。因此,土壤越是湿润,产流越多,洪量越大;反之就越小。

(5)流域面积的大小,决定了汇集降水的范围。流域面积大,受雨范围广,汇流水量就多,洪水就大;反之就小。

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