新疆天山地區(qū)徑流洪水規(guī)律探討

劉書寶，席偉彥

（中國水電工程顧問集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京 100024）

單站的年徑流和設(shè)計(jì)洪水成果的合理性往往無法判斷，結(jié)合新疆木札提河流域水能資源規(guī)劃水文分析計(jì)算成果，以及收集的新疆天山南坡、北坡水文站實(shí)測(cè)資料，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及綜合，對(duì)該地區(qū)徑流洪水規(guī)律有了一定的認(rèn)識(shí)；對(duì)工程地點(diǎn)徑流洪水的推求方法進(jìn)行了初步探討。有關(guān)成果可作為該地區(qū)徑流、洪水設(shè)計(jì)成果合理性分析的依據(jù)，工程地點(diǎn)年徑流、洪水的計(jì)算方法可作為有關(guān)設(shè)計(jì)工作的參考。

1 流域概況

天山南坡包括開都河、庫車河、阿克蘇河和渭干河等，均發(fā)源于天山南坡冰川區(qū)，南坡河流均匯入塔里木河；北坡包括伊犁河流域和艾比湖流域。天山南坡流域面積154 000 km2，冰川面積4 922.74 km2，冰川覆蓋率3.2%，天山北坡流域面積117 000 km2，冰川面積9 195.6 km2，冰川覆蓋率3.7%。

區(qū)域地貌類型按大單元?jiǎng)澐譃樯絽^(qū)、丘陵和平原三大類型。垂直帶狀結(jié)構(gòu)明顯，山頂為白雪皚皚的冰川；北天山北側(cè)山腰為草地，山腳為洪積沖積平原，間有沙丘和戈壁灘分布；南天山的高山、中山、低山地帶，分布有草地，草原和荒漠。

新疆地處歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，高山環(huán)列，來自海洋的氣流很難進(jìn)入，氣候特征主要表現(xiàn)在降水量小而蒸發(fā)量大，氣溫日較差大，日照時(shí)數(shù)長，屬于溫帶大陸性氣候。降水的分布是北部大于南部，西部多于東部，山區(qū)多于平原、盆地，迎風(fēng)坡多于背風(fēng)坡。根據(jù)破城子水文站資料統(tǒng)計(jì)，汛期6～10月降水量占年降水量的65.8%，非汛期占年水量的34.2%。

2 區(qū)域徑流綜合分析

2.1 徑流特性分析

天山地區(qū)的河流大部分發(fā)源于山區(qū)，源頭有冰川和永久性積雪，冰川和永久性積雪對(duì)河川徑流具有調(diào)節(jié)作用，因此徑流的年際變化較小而年內(nèi)變化較大，伊犁河流域年徑流變差系數(shù)為0.11～0.27，艾比湖流域?yàn)?.11～0.31，開都河為0.13～0.29，渭干河的破城子水文站為0.11。天山地區(qū)徑流的年際變化主要受河源地區(qū)冰川面積的影響，冰川面積越大，徑流的年際變化越小，破城子水文站以上冰川面積占水文站集水面積的42.6%，因此變差系數(shù)較小。

徑流的年內(nèi)分配和其補(bǔ)給來源關(guān)系密切，冬季降水少，氣溫低，降水以固態(tài)形式存于流域中，河川徑流主要來自地下水，水量最小。山區(qū)特別是高山區(qū)夏季降水多，氣溫高，降水徑流和冰川融水大量補(bǔ)給河流，故發(fā)源于高山區(qū)的較大河流，夏季水量大，伊犁河雅馬渡水文站夏季水量占全年水量的50.2%，冬季占全年水量的10.8%；開都河大山口站夏季水量占全年水量的45.0%，冬季占全年水量的10.6%；渭干河破城子水文站夏季徑流占全年的70.2%，冬季占全年水量的4.2%。

新疆河流的河流分為山區(qū)河流和平原河流，山區(qū)是河流徑流形成區(qū)，徑流隨流域面積的增大而增加，平原是河流徑流的散失區(qū)，徑流隨流域面積的增加而減少。河流出山口以后，大量徑流引入灌區(qū)，有的平原河流沿途有許多引水渠首，所以平原河流常常是河渠交錯(cuò)，既有徑流引走也有農(nóng)田排水匯入，河流水量受人類活動(dòng)影響很大。

2.2 基本資料的選用

本次選用的基本資料包括伊犁河8個(gè)水文站、艾比湖8個(gè)水文站、開都河11個(gè)水文站、渭干河6個(gè)水文站、阿克蘇2個(gè)水文站等35個(gè)水文站的水文資料，水文資料的徑流系列到1989年，這些水文站大部分都有30年水文資料系列，所選水文站代表性較好。

2.3 水文站多年平均徑流與控制面積綜合關(guān)系分析

根據(jù)本次選用的35個(gè)水文站的徑流成果點(diǎn)繪多年平均徑流量～流域面積的關(guān)系圖，見圖1。

圖1 新疆天山南北坡水文站多年平均徑流量～流域面積關(guān)系線

從圖1可見，天山南北地區(qū)徑流有比較明顯的規(guī)律，據(jù)此可以綜合出天山南北地區(qū)多年平均徑流量與流域面積的關(guān)系，天山南北地區(qū)多年平均徑流量與流域面積的關(guān)系公式為：

式中：W為多年平均徑流量，億m3；F為流域面積，km2。

綜合分析圖1可見，天山南北地區(qū)在集水面積小于1 000 km2時(shí)，流域產(chǎn)流量有明顯的差別，當(dāng)集水面積大于1 000 km2時(shí)，流域產(chǎn)流量差別不大，但北天山地區(qū)產(chǎn)流量大于南天山地區(qū)。

2.4 工程地點(diǎn)年徑流量計(jì)算的方法探討

在天山南北地區(qū)有關(guān)河流的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，可根據(jù)本文總結(jié)的天山南北地區(qū)產(chǎn)流規(guī)律，利用壩址以上集水面積估算壩址徑流量，或利用新疆維吾爾自治區(qū)水利部門第三次全國水資源評(píng)價(jià)時(shí)所做的新疆徑流深等值線圖計(jì)算壩址的徑流量，計(jì)算電站的有關(guān)動(dòng)能參數(shù)。

在收集到工程所在河流水文站或鄰近流域水文站的長系列水文資料后，進(jìn)行資料系列的 “三性”檢查后，計(jì)算水文站多年平均徑流量，與新疆等值線計(jì)算成果進(jìn)行比較，并計(jì)算修正系數(shù)。修正系數(shù)的計(jì)算公式是：

式中：W1—利用水文站實(shí)測(cè)徑流系列計(jì)算的徑流量，萬m3；R—水文站以上平均徑流深，mm；F—水文站以上集水面積，km2。

工程地點(diǎn)年徑流的計(jì)算方法是利用等值線計(jì)算壩址以上多年平均徑流深，再利用水文站的多年平均徑流量修正系數(shù)進(jìn)行修正，即可計(jì)算出壩址多年平均徑流量。變差系數(shù)Cv和偏態(tài)系數(shù)Cs的取值可以根據(jù)水文站的的參數(shù)合理取值。

2.5 成果的應(yīng)用

天山南北地區(qū)徑流組成比較復(fù)雜，單個(gè)水文站計(jì)算的年徑流成果往往難以判斷合理性，因此在完成資料的“三性”分析檢查，徑流參數(shù)計(jì)算后，需要根據(jù)地區(qū)的規(guī)律，判斷成果的合理性。判斷的方法是把水文站的計(jì)算成果點(diǎn)繪在新疆南北水文站多年平均徑流量～流域面積關(guān)系圖上，評(píng)價(jià)多年平均徑流量的合理性，然后根據(jù)本文提供的方法計(jì)算有關(guān)工程地點(diǎn)的徑流成果。這對(duì)提高設(shè)計(jì)成果的可靠性是有益的。

3 區(qū)域洪水規(guī)律探討

3.1 洪水特性

天山地區(qū)的洪水有融雪型洪水，暴雨洪水、融冰型洪水、冰川湖潰決洪水、冰凌洪水和混合型洪水。不同類型的洪水發(fā)生的季節(jié)有明顯的不同，融雪型洪水主要發(fā)生在3～5月份，暴雨洪水、融冰型洪水主要發(fā)生在6～8月，冰川湖潰決洪水主要出現(xiàn)在夏末、秋季或初冬，冰凌洪水主要發(fā)生在11月底至翌年2月中旬。

融冰雪型洪水與氣溫關(guān)系密切，洪水過程有一日一峰的變化規(guī)律；混合型洪水一日一峰，峰高量大，主峰滯后于降雨；暴雨性洪水，峰高量小，陡漲陡落。年最大洪水的峰型多為混合型，河源冰川和永久性積雪消融，降雨也在高峰季節(jié)。

受冰川和永久積雪融化的調(diào)節(jié)作用，洪水最大洪峰的年際變化相對(duì)較小，木札提河破城子水文站洪峰流量變差系數(shù)為0.35，伊犁河卡甫其海水文站洪峰流量變差系數(shù)為0.58，艾比湖山口水文站年徑流變差系數(shù)為0.69。

3.2 基本資料的選用及水文站設(shè)計(jì)洪水

本次收集了天山南北地區(qū)的阿克蘇河、渭干河、伊犁河、艾比湖等河流的13個(gè)水文站的設(shè)計(jì)洪水成果作為代表站探討天山南北地區(qū)洪水規(guī)律，這些站的洪水成果經(jīng)過上級(jí)有關(guān)部門的審查，設(shè)計(jì)成果已經(jīng)用于工程設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)洪水成果是基本合理的，也是可靠的。

3.3 水文站設(shè)計(jì)洪水與控制面積綜合關(guān)系分析

根據(jù)天山南北地區(qū)水文站設(shè)計(jì)洪峰流量，以百年一遇洪水為例點(diǎn)繪設(shè)計(jì)流量與控制面積的綜合關(guān)系線，見圖2，點(diǎn)據(jù)分布趨勢(shì)有較好的規(guī)律性，新疆河流在山區(qū)是徑流形成區(qū)，洪水隨流域面積的增加而增大，但出山口后平原區(qū)，主要是徑流的散失區(qū)，雖然沿途接納支流的洪水匯入，但洪水模數(shù)在減小，反映在設(shè)計(jì)洪峰流量～集水面積綜合關(guān)系線上，在平原面積比指數(shù)變小。據(jù)此分段定出設(shè)計(jì)流量～控制面積的綜合關(guān)系線，關(guān)系線約在流域面積F＝12 800 km2處轉(zhuǎn)折。

設(shè)計(jì)洪峰流量～集水面積的綜合關(guān)系公式為：

式中：Qmp為頻率p的設(shè)計(jì)流量，m3/s，F(xiàn)為控制的流域面積，km2。

圖2 天山南北地區(qū)設(shè)計(jì)洪峰流量～流域面積關(guān)系圖

3.4 成果的應(yīng)用

天山地區(qū)洪水組成復(fù)雜，按照設(shè)計(jì)洪水規(guī)范的要求，首先對(duì)洪水進(jìn)行成因分析，同成因的洪水組成洪水系列進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，不同成因洪水的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行組合，這樣使得設(shè)計(jì)洪水計(jì)算非常復(fù)雜。新疆有關(guān)工程在計(jì)算水文站設(shè)計(jì)洪水時(shí)采用的資料系列均是混合系列，據(jù)此計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。新疆地區(qū)地廣人稀，歷史洪水資料匱乏，因此設(shè)計(jì)洪水成果的可靠性往往難于把握，因此成果的合理性檢查是十分必要的。本文提供的地區(qū)綜合成果可作為天山地區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果合理性檢查的參考依據(jù)。

對(duì)于小面積洪水，特別是施工所需要的支溝洪水，一般采用推理公式法、暴雨洪水法等方法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，因此本文總結(jié)的成果也可作為小面積洪水計(jì)算成果合理性分析判斷的參考依據(jù)。

由圖2可見，在山區(qū)洪峰流量的面積比指數(shù)是0.76，平原區(qū)指數(shù)是0.41，因此根據(jù)水文站設(shè)計(jì)洪水推求工程地點(diǎn)的設(shè)計(jì)洪水時(shí)，可參考本文所分析的成果進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)語

1）新疆天山南北地區(qū)徑流規(guī)律有明顯的差別，在南天山區(qū)，集水面積較小的河流（F＜1 000 km2）由于源頭位于低山區(qū)，冰川積雪面積較小，徑流模數(shù)較小，而集水面積大河源位于高山區(qū)的流域徑流模數(shù)較大。面積較大河流天山南北徑流模數(shù)差別較小。

2）天山南北地區(qū)洪峰模數(shù)基本相同，山區(qū)徑流產(chǎn)生區(qū)，洪水隨流域面積的增加而增大；平原區(qū)是徑流的散失區(qū)，雖然洪峰流量也隨流域面積的增加而增大，但增大幅度較山區(qū)小。

3）在工程設(shè)計(jì)時(shí)，收集的水文資料往往是有限的，分析計(jì)算的徑流洪水成果的合理性和可靠性難于把握，因此進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)要多種方法、綜合分析、合理選定。本文綜合的有關(guān)成果可作為有關(guān)設(shè)計(jì)成果合理性分析的參考依據(jù)。

4）本文所提供的工程地點(diǎn)徑流洪水分析計(jì)算的有關(guān)方法和參數(shù)是基本可靠的，并應(yīng)用于新疆木札提河水電規(guī)劃。在該地區(qū)其它工程設(shè)計(jì)也可作為分析計(jì)算的依據(jù)。

5）新疆地區(qū)徑流洪水成因復(fù)雜，因此在工程設(shè)計(jì)時(shí)要多收集工程上下游，鄰近流域水文站的水文資料，以及已經(jīng)有關(guān)工程的設(shè)計(jì)資料，進(jìn)行地區(qū)綜合分析，必要時(shí)要在工程地點(diǎn)設(shè)立水文站進(jìn)行水文資料觀測(cè)，對(duì)設(shè)計(jì)成果做進(jìn)一步驗(yàn)證。

［1］中國水電工程顧問集團(tuán)公司北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.新疆木札提河水電規(guī)劃報(bào)告［R］.2008.

［2］周聿超.新疆河流水文水資源［M］.烏魯木齊：新疆科技衛(wèi)生出版社，1999，7.

［3］鄧銘江，王世江，等.新疆水資源及可持續(xù)利用［M］.北京：中國水利水電出版社，2005，8.