拜城縣小流域山洪災害典型洪水分析

劉 軒

0 引言

位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部的拜城縣，總面積15916.81km2，人口21萬人，屬中溫帶大陸性干旱氣候，降水量自北向南、從西向東遞減，縣內(nèi)暴雨頻發(fā)，地質地貌復雜，縣內(nèi)四面環(huán)山，山洪溝十分發(fā)育，境內(nèi)有5條河流，44條主山洪溝，幾百條山洪支溝，是阿克蘇地區(qū)重點防洪區(qū)域，也是山洪災害頻發(fā)的區(qū)域，暴雨山洪產(chǎn)生的損失十分慘重，因此，加強山洪災害防治和研究是當前防災減災的一項重要工作。要想提高山洪災害防御能力，必須對流域洪水進行分析。

1 山洪災害防治現(xiàn)狀及成因

1.1 山洪災害防治現(xiàn)狀

目前，拜城縣山洪災害防治監(jiān)測系統(tǒng)共計設置8處山區(qū)雨量自動監(jiān)測站、4處雨量人工監(jiān)測站、4處水位自動遙測站，各監(jiān)測站分別分布于卡普斯浪河、臺勒維其克河、庫如克溝上、中游山區(qū)。系統(tǒng)由單參數(shù)（雨量）監(jiān)測站、多參數(shù)（雨量、水位）監(jiān)測站、雨量告警站和拜城縣中心組成。編制和完善縣、鄉(xiāng)、村山洪災害防御預案，建立縣、鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）、村、組、戶五級山洪災害防御責任制體系。

1.2 山洪災害成困

分析拜城山洪災害成因主要有以下幾點：

（1）冰雪消融型洪水。主要為高山季節(jié)性冰雪消融，與升溫過程關系密切，洪水歷時較長，冰雪消融洪水具有起漲平緩、峰值不高，洪量較大、洪水過程為復峰型、歷時長、具有一日一峰一谷及峰值區(qū)維持時間較長的特點。

（2）暴雨型洪水。主要由驟降暴雨形成的,具有較強突發(fā)性，陡漲陡落，峰高量小，歷時較短且無明顯日變化的特點，暴雨洪水歷時（從起漲到回落）最長者約72h左右，最短者約30min左右，多數(shù)在24h左右，洪水過程近似尖瘦的等腰三角形形態(tài)，各場次洪水洪量差異懸殊。這類暴雨山洪來勢兇猛，對河（溝）沿線的居民點及基礎設施危害極大。

（3）冰雪消融和暴雨混合型洪水。拜城縣的較大洪水主要是冰雪消融和暴雨混合型。高溫季節(jié)高山冰雪大量融化產(chǎn)生的融水與中低山區(qū)和山前平原降雨混合型。混合型洪水又可分冰雪消融洪水漲峰過程與暴雨洪水迭加、冰雪消融洪水落水過程與暴雨洪水迭加?；旌闲秃樗喟l(fā)生在河源具有冰川和永久性積雪的河流上，本流域混合型洪水多發(fā)生在6～8月。洪水特征具有明顯日變化，前期有數(shù)日高溫天氣，出現(xiàn)冰雪消融洪水，后期遇降水天氣，從而形成較大洪峰。此類洪水起漲速度快，洪峰高，持續(xù)時間長，漂浮物多，流速急，洪量大。此類洪水危害也最大。

為了提高山洪災害防御能力，需對小流域典型洪水進行分析。

2 典型設計洪水分析計算

2.1 典型選取

根據(jù)新疆水利廳統(tǒng)一下發(fā)的基礎數(shù)據(jù)，現(xiàn)選擇塔里木內(nèi)流區(qū)的吐爾鄉(xiāng)牧場、黑英山鄉(xiāng)尤勒袞亞村1～4組，以及老虎臺鄉(xiāng)托普魯克6村2小隊為典型分析對象，闡述典型設計洪水分析評價的方法思路。吐爾鄉(xiāng)牧場小流域面積61.35km2，周長63.3km，小流域形狀系數(shù)0.11；尤勒袞亞村1～4組小流域面積427.63km2，周長109.05m，小流域形狀系數(shù)0.24；托普魯克6村2小隊小流域面積22.67km2，周長35.9m，小流域形狀系數(shù)0.11。根據(jù)暴雨與洪水同頻率的假定，拜城縣沿河村落設計洪水頻率按《新疆山洪災害分析評價技術要求》，確定為5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇5種。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查成果及現(xiàn)行設計洪水規(guī)范方法，本次典型頻率洪水計算采用洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法，地區(qū)綜合經(jīng)驗公式法進行計算。

2.2 洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法

因為3處典型小流域均無水文資料，拜城木扎提河、喀布斯郎河、臺勒維丘克河、卡拉蘇河、克孜爾河五大水系受上游冰川融雪及土壤植被變化的影響，洪峰模數(shù)具有一定的差異，但受人類活動和氣候的影響各大水系又相互影響。因此，在將地區(qū)洪峰模數(shù)進行地區(qū)綜合的同時也能兼顧各地區(qū)特有的產(chǎn)匯流特性，所以本次以黑孜河、卡布斯浪河、卡拉蘇河、木扎提河上的黑孜水文站、卡木魯克水文站、卡拉蘇合成水文站、破城子水文站歷年實測最大洪峰流量資料分別進行排頻分析計算（將各站洪峰流量模比系數(shù)經(jīng)驗分布分別點繪在不同的頻率格紙上，對經(jīng)驗分布點進行適線求得各地區(qū)區(qū)域的頻率曲線，理論頻率曲線采用P-Ⅲ型曲線，分別得到不同頻率的設計洪峰流量模比系數(shù)），其計算結果如表1所示。

表1 各水文站歷年最大洪峰序列頻率分析成果表

再將各站洪峰流量模比系數(shù)經(jīng)驗分布點繪在同一張概率格紙上，進行地區(qū)綜合分析，得到其地區(qū)綜合頻率曲線。考慮到設計流域和參證流域的降水、徑流、下墊面條件較相似，但流域面積卻有差別，為避免中值法確定綜合頻率曲線導致的“均化現(xiàn)象”，采用系列點群中心適當照顧高水點據(jù)的經(jīng)驗適線法，并繪制洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線見圖1。頻率為P的洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合Kp值統(tǒng)計見表2。

圖1 阿克蘇地區(qū)拜城縣諸河年最大洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線圖

表2 頻率為P的洪峰流量模比系數(shù)Kp值統(tǒng)計表

本次采用洪水調(diào)查成果，計算各評價單元調(diào)查斷面的設計洪峰流量。首先算出各計算斷面調(diào)查洪峰流量，再對調(diào)查洪峰流量進行洪水重現(xiàn)期考證，通過綜合頻率曲線查得調(diào)查洪水洪峰流量模比系數(shù)Kd，用公式1算出設計洪峰流量。采用地區(qū)洪峰流量頻率曲線法推求計算斷面設計洪峰流量，計算公式如下：

式中：Qp為設計洪峰流量（m3/s）；Kp為頻率為P的洪峰流量模比系數(shù)，見表2；Qd為調(diào)查歷史洪水洪峰流量；Kd為調(diào)查洪水洪峰流量模比系數(shù)。

2.3 地區(qū)綜合經(jīng)驗公式法

本次選用南疆巴州至克州八處有實測洪水的中小河流水文站建立的小流域暴雨洪峰流量經(jīng)驗公式進行分析計算，其公式為：

式中：Qm為多年平均年最大洪峰流量，m3/s；A為流域面積，km2；L為主河溝長度，km；J為主河溝坡降，‰；f為流域形狀系數(shù):f=為流域多年平均最大一日降水量，mm。

用公式3和公式4計算出的CV和CS值在《水利水電工程設計洪水計算手冊》附表3中查P-Ⅲ型曲線KP值，其結果見示范表3。

表3 P-Ⅲ型曲線模比系數(shù)KP值

用公式2所求代入公式1式，求出調(diào)查斷面各設計頻率的洪峰流量。

式中：Qp為設計洪峰流量，m3/s；Kp為皮爾遜Ⅲ型曲線的模比系數(shù)；為Qm為多年平均年最大洪峰流量，m3/s。

2.4 典型頻率設計洪水計算成果及合理性分析

（1）典型頻率設計洪水計算成果

采用洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法、地區(qū)綜合經(jīng)驗公式法，依次求得亞吐爾鄉(xiāng)牧場、黑英山鄉(xiāng)尤勒袞亞村1-4組，以及老虎臺鄉(xiāng)托普魯克6村2小隊的典型流域洪水，兩種方法設計洪水合理性分析分別見表4～6。

（2）合理性分析

根據(jù)表4～表6可以看出，百年一遇的洪水洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法推求出的結果比地區(qū)綜合經(jīng)驗公式法推求出的結果偏大，但基本維持在20%左右，五年一遇的洪水經(jīng)驗公式法一般比洪峰流量模比系數(shù)法約大50%～60%左右，兩種方法在低頻率時差異較大，但隨著洪水頻率的升高誤差越小，計算結果越可靠。各評價對像設計洪峰流量計算，經(jīng)以上兩種方法計算，相互對照分析認為：

表4 牧場推求設計洪水合理分析表

表5 尤勒袞亞村1-4組推求設計洪水合理分析表

表6 托普魯克6村2小隊推求設計洪水合理分析表

因為拜城縣小流域山洪溝水文資料缺乏，地形條件復雜、暴雨局地性和突發(fā)性強，洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法將同一水文分區(qū)內(nèi)水文站點實測洪峰流量樣本編制洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線推求設計洪峰流量，選用氣候條件、地形條件基本相似的水文測站資料作地區(qū)綜合分析。該方法的優(yōu)點是，選用的水文氣象資料系列長、歷史洪水調(diào)查成果可靠，其特點是簡便易行、適用于無資料流域的洪峰流量計算。地區(qū)綜合經(jīng)驗公式法成果缺點是地區(qū)綜合經(jīng)驗公式法相對繁鎖、工作量大、對于小流域精度難于保證。所以，為保證山洪溝沿河村民安全，最大限度考慮大洪水可能對沿河村民產(chǎn)生的影響，建議采用洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法計算結果。

3 結語

為了提高完善拜城縣山洪災害防治工作，根據(jù)拜城縣小流域無水文監(jiān)測資料情況，以既定沿河牧場、村落和集鎮(zhèn)等防災對象為典型分析對象，采用洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法和地區(qū)綜合經(jīng)驗公式法對牧場、尤勒袞亞村1-4組、托普魯克6村2小隊3個典型小流域山洪災害洪水分析，經(jīng)對比評價，峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法計算出牧場、1-4組、2小隊的5年、10年、20年、50年、100年一遇洪峰分別為121m3/s、91m3/s、55m3/s、34m3/s、20m3/s；247m3/s、188 m3/s、118m3/s、74m3/s、43m3/s；62m3/s、56m3/s、49m3/s、43m3/s、37m3/s，該方法計算的數(shù)值更符合當?shù)胤婪渡胶闉暮嶋H，可在全縣其它小流域山洪災害洪水計算中進行推廣，有利于提高全縣山洪災害防御能力。