卡依尔特斯河谷冻土冻融对融雪洪水的影响.pdf

2023.No.7收稿日期：20230120作者简介：古米娜 哈木斯别克（1985），女，工程师，主要从事水文技术服务工作。DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.07.022卡依尔特斯河谷冻土冻融对融雪洪水的影响古米娜 哈木斯别克（新疆维吾尔自治区阿勒泰水文水资源勘测局，新疆阿勒泰836500）摘要：以新疆卡依尔特斯河谷为例，利用河谷所在流域及测站2020、2021年融雪期季节性冻土湿度、积雪深度、融雪洪水流量等数据，对季节性冻区冻土的冻融特征及其对融雪洪水的影响展开分析。结果表明，融雪洪水流量受积雪深度、冻土湿度等因素影响较大，其决定着融雪洪水峰值的出现时间及取值；10 cm深度以内的冻土湿度变化对融雪洪水影响明显，10 cm深度以下的冻土湿度变化只会削弱洪峰并降低峰值。关键词：季节性冻土；冻融特征；融雪洪水；卡依尔特斯河谷中图分类号：TV122+.9文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）07-0083-03融雪洪水自然灾害在季节性冻区较为常见，严重威胁到当地安全生产过程及人民群众生命财产安全。为此，必须对融雪洪水成因展开深入分析，加强洪水测报及调度管理，促进融雪洪水资源化利用。截至目前，理论界对融雪洪水的研究重点主要集中在气象因子及气象因素影响方面，对季节性冻区冻土湿度变化影响融雪洪水的研究仍较少。基于此，本文从影响卡依尔特斯河谷融雪洪水的下垫面出发，展开季节性冻土水分变化及冻土湿度对融雪洪水影响机理的研究，以期为季节性冻区积雪洪水测报及调度管理提供参考。1项目区概况新疆卡依尔特斯河谷属于原地貌类型，支流众多；流域地表主要为农田及裸地，土壤类型由高至低依次为高山草甸土、灰褐土、棕钙土及季冻土、常年冻土等；河谷处植被覆盖率不高，水源涵养能力差；河谷阴坡常年积雪，阳坡积雪在4月初气温回暖及日照作用下逐渐融化，至4月底几乎完全融化。在积雪融化及降雨等综合作用下，49月河道山洪暴雨频发。河谷下游库威水文站于1965年建站，控制流域面积1 039.7 km2。本文涉及的积雪深度、气温、流量等数据均来自阿勒泰水文水资源勘测局，冻土资料来自富蕴县气象台。2季节性冻土冻融特征2.1季节性冻土物理属性冻土属于多成分多相复杂结构，以矿体骨架、矿物、未冻水、冰及气体为主要成分，并决定冻土物理力学性质、结构及冻融过程1。为此，必须对卡依尔特斯河谷季节性冻土物理属性展开分析。该河谷融雪期季节性冻土深度达到40 cm，冻土物理性能详见表1。2.2季节性冻土湿度变化根据该项目区2020年融雪期冻土湿度变化情况，4 月 5 日以前，不同深度冻土层湿度存在明显分层，自表层至深层呈增大趋势；4月 5日以后，深度 10 cm 以内的冻土湿度迅速回升，并逐渐趋于稳定。在进入消融期前，随着冻土深度的增大，冻土湿度随之持续增大，并逐渐趋于稳定；从3月11日开始至19日，40 cm深度冻土湿度基本保持在20%；冻土湿度从3月19日开始出现递增趋势，增至3月26日的 73.7%，从 3 月 27 日开始下降，此后基本维持在35%左右；10 cm深度以内冻土层湿度持续回升，并表1卡依尔特斯河谷季节性冻土物理性能冻土深度/cm10203040土壤容重/（gcm-3）1.189 11.267 31.308 21.361 4土壤类型粉质壤土粉质壤土粉质壤土粉质壤土有机质含量/kg5.941076.211074.871072.95107海河水利832023年7月表现出几次湿度峰值，这种情况一直持续至 4月 5日；4月5日以后，冻土湿度趋于稳定。这一趋势与工程区空气温度变动趋势基本一致2。2021年项目区季节性冻土湿度变化情况，如图1所示。2.3融雪洪水日变化特征在3月初至3月底的融雪期，气温回暖，积雪逐渐融化，而温度的快速持续回升必然引发融雪洪水；夜间温度降低，积雪冻结，融雪过程也暂停。所以，融雪期内融雪洪水以日为单位表现出周期性变化特征。为简化分析过程，对该河谷库威水文站流量进行插值3，结果详见表23。进入融雪期后气温升高，积雪层吸收热量后开始融化，产生融雪水。这一过程形成的融雪水经地面产流及河网汇流后最终汇集至出山口库威水文站；因积雪海拔、密度及汇流时间不尽相同，故融雪期流量增长较为缓慢，2020年最大洪峰109.83 m/s，出现在3月17日20时41分；2021年最大洪峰 18.65 m/s，出现在 3月 28日 21时32分。2020年融雪期和2021年融雪期因气候条件、积雪状况等存在差异，故融雪洪水水文过程也不尽相同。2020 年融雪洪水日流量变动情况，详见表 2。由表2可知，3月3日进入融雪期后，融雪流量几乎为零；从3月16日开始融雪流量大涨，并于次日出现109.8 m/s的最大洪峰；此后于3月19日遭遇2次波峰，最大洪峰流量46.31 m/s。2021年融雪洪水日流量变动情况，详见表3。由表3可知，3月1625日先后出现3次洪峰变化，3次峰值分别为7.32、18.65、15.72 m/s。3季节性冻土消融对融雪洪水的影响3.1对融雪洪水形成的影响2021年3月6日前积雪深度变幅不大，在环境温度和阳光照射下积雪持续压实，深度也发生改变，但无融雪水产生。在此后的610月，积雪深度变幅增大至3.2 cm/d，产生融雪水，但其流量仍维持在基流大小；从冻土深度的变化来看，表层冻土深度表现出周期性波动，且在融雪水的下渗作用下地面汇流得到削弱，河道汇流量相应减小。结合项目区2021年季节性冻土变化情况，3月69日，0 cm冻土湿度高，但以下深度冻土湿度并无明显变化。据此可知，项目区表层冻土在积雪融水热量的作用下出现消融，湿度增大；但以下各层冻土几乎不受影响，融雪水下渗范围仅为 10 cm。3月 918日，河道回流量无明显变化，但积雪厚度改变，冻土湿度并未超出田间持水量的 34.8%，融雪水入渗深度无明显变化；此后，各层冻土湿度均剧烈增大，融雪洪水受蓄满产流的影响增大。融雪期积雪深度变化趋势线，如图2所示。2022年项目区融雪洪水主要出现在3月2527日及4月57日，土壤因受融雪水的入渗补给，湿度大大超出田间持水量，土壤水分接近饱和；夜间因积雪冻结，融雪水入渗补给过程暂停，但土壤中既有水分受到重力作用持续入渗，土壤湿度始终维持在田间持水量水平4。3.2对洪峰的影响融雪洪水以融雪水为主要补给来源，基于水量平衡视角，表面蒸发、融水入渗、地表径流等均为冻土冻融及积雪融水的消耗形式，因环境温度所限，雪层表面蒸发可忽略不计。在土壤下渗调蓄影响较大图1季节冻土湿度与空气温度变化曲线表22020年库威水文站融雪洪水日流量项 目流量/（ms-1）日期（月-日）03-033.3403-053.6303-073.9203-094.2003-114.4203-134.5703-154.7203-174.8803-195.03表32021年库威水文站融雪洪水日流量项 目流量/（ms-1）日期（月-日）03-162.0803-182.1103-202.1403-222.1503-242.1603-262.1703-282.1803-302.1904-012.7104-033.8104-054.91图22021年融雪期积雪深度变化趋势线03-03302520151050雪深/cm03-0403-0503-0603-0703-0803-0903-1003-1103-1203-1303-1403-1503-1603-1703-1803-19日期（月-日）深度40cm冻土湿度深度10cm冻土湿度深度30cm冻土湿度深度0cm冻土湿度深度20cm冻土湿度空气温度806040200日期（月-日）冻土湿度/%03-1003-1203-1403-1603-1803-2003-2203-2403-2603-2803-3004-0104-0304-05100-10-20空气温度/古米娜 哈木斯别克：卡依尔特斯河谷冻土冻融对融雪洪水的影响842023.No.7的情况下，融雪洪水一般不会发生。2021年3月9日前，项目区河谷融雪洪水流量较为稳定，季节性冻土表层湿度于3月6日改变，到3月9日地下10 cm深冻土湿度快速增大，达到25%后趋于稳定。由此可知，融雪水于3月6日开始入渗，并滞留于10 cm深的土层内，对地表径流和河水流量起到抑制作用。此后，随着积雪消融，融雪水持续入渗，但湿润峰面从未超出10 cm。3月11日积雪深度从9.5 cm升高至14.3 cm，此后随着融雪过程的持续进行，积雪深度变化曲线变得平缓；3月17日土壤层间湿度变化增大，流量达到融雪期内的最大值110.08 m/s，此后于3月20日出现2次洪峰（流量峰值为48.42 m/s）；随后流量便持续接近基流。由此可以看出，项目区融雪水入渗后，土层10 cm深度以内的土壤湿度与融雪洪峰关系密切，造成积雪快速融化；而10 cm以下的未消融层则起到隔离层的作用，土壤湿度变化对洪峰起到削弱作用。根据2022年融雪期积雪深度变化趋势，在3月15日4月5日的融雪期内存在3次明显的积雪深度峰值，分别为 3 月 16 日的 36.7 cm、3 月 21 日的39.8 cm、3月29日的27.4 cm。河道流量也表现出相应的大周期洪峰变化特征：第1个洪峰出现前，土壤湿度出现较大变化，各层水分开始入渗；第2个洪峰期间，融雪水向土壤深层入渗，对洪峰流量有一定程度的削弱；第3个洪峰期间，融雪水入渗过程使融雪水地面产流减小，融雪洪水峰值同样受到影响。4结语综上所述，根据项目区气候特征、水文观测资料开展融雪洪水测报完全可行，且测报过程中必须将重点放在季节性冻土深度10 cm以内，以增强分析结果的准确性及代表性。项目区融雪洪水的出现是气候温度、积雪深度、季节性冻土物理特性等综合作用的结果，应对各因素影响程度分别进行计算和分析，并以影响最大的因素作为河道融雪洪水测报及管理重点。参考文献1 乌艺恒，赵鹏武，周梅，等.季节性冻土区土体冻融过程及其对水热因子的响应J.干旱区研究，2019，36（6）：1568-1575.2 段斌斌，牛春霞，刘志辉.天山北坡季节性冻土冻融对融雪洪水的影响研究J.中国农村水利水电，2018（3）：180-185.3 宁俊，王玉花，张聪敏.初始含水量及冻融循环对黄土微结构的影响J.科学技术与工程，2018，18（5）：285-290.4 魏尧.冻融循环条件下高含水率黄土构度指标研究J.人民长江，2017，48（5）：83-86，95.4.4合理性分析根据上述计算成果，计算推求的45 a一遇洪水（P=2.22%）洪峰流量为 3 410 m3/s，调查的坝址处1996年洪水洪峰流量为3 380 m3/s，该年洪水重现期约为45 a；计算推求的20 a一遇洪水（P=5%）洪峰流量为 2 640 m3/s，调查的坝址处 1999年洪水洪峰流量为2 650 m3/s，该年洪水重现期约为20 a。由此可见，计算得到的坝址处洪水成果与历史调查成果接近，成果基本合理。4.5分期洪水坝址河段属窄深式河槽，洪水来势凶猛，因此施工主要安排在枯期进行。根据洪渡河流域暴雨、洪水特性和施工进度安排，拟定113月、114月、123月、124月4个分期，根据江滨水文站历年相应时段实测资料，以经验频率计算各分期洪水，并采用水文比拟法移到坝址，面积比指数n取0.67，即为坝址处施工期洪水成果，详见表6。5结语为满足区域发展尤其是农业灌溉和引水供水需求，在洪渡河上拟修建冉渡滩水库。根据洪渡河流域特点，通过选取合适水文站为参证站，并对实测成果进行插补延长，采用水文比拟法得到了坝址处设计径流与洪水成果，并对施工期洪水洪峰流量进行了计算。在此基础上，可以进一步对库区支流回水区主要控制断面的设计洪水和输水线路等跨河建筑物洪水进行计算，为工程初步设计提供更加细致的参考依据。参考文献1 蔡平，皮永桦，杨刚.冉渡滩水库下放生态流量及生态机组优化分析J.水利科学与寒区工程，2022，5（8）：65-67.2 杨刚，李焕焕.冉渡滩水库取用水合理性分析J.山西水土保持科技，2017（3）：21-23，28.3 李同青.水电站利用下游消落水位发电时厂房水位流量关系探讨J.黑龙江水利科技，2019，47（10）：105-106，246.4 唐安红.冉渡滩水库供水线路选择J.水利科技与经济，2014，20（3）：102-103，106.表6江滨水文站、坝址处分期洪水成果m3/s分期113月114月123月124月江滨水文站各频率洪峰流量P=5%9891 140625985P=10%751907415741P=20%528682238507坝址处各频率洪峰流量P=5%540623341538P=10%410495227405P=20%288372130277（上接第82页）海河水利85