尉犁縣小流域暴雨洪水預(yù)警指標(biāo)探討

(新疆巴音郭楞水文勘測(cè)局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

尉犁縣地處庫(kù)爾勒市巴音郭楞蒙古自治區(qū)腹地，下轄1鎮(zhèn)7鄉(xiāng)共7萬(wàn)人，總面積59 402 km2。縣境內(nèi)地形復(fù)雜，氣候差異懸殊。降雨自北向南、從西向東遞減，暴雨山洪災(zāi)害頻發(fā)，給當(dāng)?shù)厝嗣裆a(chǎn)生活造成巨大威脅。截止2012年，尉犁縣共建設(shè)山洪災(zāi)害防治非工程措施27個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，并配備大量的簡(jiǎn)易雨量水位監(jiān)測(cè)站，建立了縣鄉(xiāng)村組戶五級(jí)山洪災(zāi)害防御責(zé)任制體系。受當(dāng)時(shí)投資和技術(shù)方法限制，沒(méi)有進(jìn)行小流域暴雨洪水分析。為了提高山洪災(zāi)害預(yù)警能力，需對(duì)暴雨洪水的預(yù)警時(shí)段指標(biāo)進(jìn)行確定，本次以尉犁縣新地村典型小流域?yàn)槔?，進(jìn)行預(yù)警指標(biāo)確定的方法介紹。

1 暴雨洪水特性及災(zāi)害防御問(wèn)題

1.1 氣象水文分析

尉犁縣地形復(fù)雜，空氣干燥，蒸發(fā)旺盛，氣候差異較大。自東向西、從南到北可分為四個(gè)氣候區(qū)。東部熱量較多，降水稀少，日照充足，夏季炎熱，冬季寒冷；中部平原熱量尚足，夏季有冰雹，秋季有霜凍；西部山麓地帶熱量較少，降水適中；北部山丘區(qū)熱量不足，降水豐富。歷年平均氣溫為2.5℃。降雨北部高山年降水量600 mm以上，中高山地帶年降水量350～500 mm，低山丘陵地區(qū)年降水量250 mm以下，差異變化較大。盆地自由水面蒸發(fā)量為960.2 mm。目前尉犁縣只有1個(gè)氣象站，僅能監(jiān)測(cè)其所在地20～30 km范圍內(nèi)的天氣變化。全縣還沒(méi)有系統(tǒng)建設(shè)水文監(jiān)測(cè)設(shè)施。

1.2 暴雨洪水特性

尉犁縣的山洪主要是夏季的暴雨型洪水。這類洪水主要受局部天氣和地形的影響，一般發(fā)生在海拔1 000～1 800 m的中低山和丘陵地帶，多發(fā)生在4-8月暴雨季節(jié)，一般具有獨(dú)立的峰形。由于降水強(qiáng)度大，洪水峰值高、歷時(shí)短，來(lái)勢(shì)兇猛，措手不及，不易防范，直接危害對(duì)在山洪河溝沿岸活動(dòng)的人畜。因此，尉犁縣的山洪災(zāi)害具有出現(xiàn)頻率高、季節(jié)性強(qiáng)、區(qū)域性明顯、分布廣、來(lái)勢(shì)兇猛、成災(zāi)快、破壞性強(qiáng)、危害嚴(yán)重、恢復(fù)難度大的特點(diǎn)。

1.3 山洪災(zāi)害防御存在問(wèn)題

雖然尉犁縣在山洪災(zāi)害防御方面取得一定工作成績(jī)，但也存在以下問(wèn)題：1)防治山洪預(yù)測(cè)預(yù)警體系還沒(méi)有形成全覆蓋，全縣大部分地區(qū)監(jiān)測(cè)信息依靠人工來(lái)觀察，憑經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)山洪；2)北部山區(qū)各流域內(nèi)雨量站還非常稀少，水位觀測(cè)站沒(méi)有，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足預(yù)報(bào)山洪的實(shí)際需要；3)預(yù)案的編制還不夠規(guī)范，可操作性不強(qiáng)，防災(zāi)知識(shí)宣傳還有待加強(qiáng)。

2 設(shè)計(jì)暴雨分析

設(shè)計(jì)暴雨主要包括確定和分析小流域時(shí)段雨量、暴雨頻率和暴雨時(shí)程分配。根據(jù)技術(shù)要求，現(xiàn)以新地村為例，對(duì)這設(shè)計(jì)暴雨進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 暴雨頻率分析

尉犁縣位于開(kāi)都河流域，按集水區(qū)形-位置插值可得到1 h、6 h和24 h的暴雨均值和cv值。按cs=3.5cv，查《新疆暴雨圖集》的皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數(shù)Kp值表，可得各計(jì)算單元不同設(shè)計(jì)暴雨頻率相應(yīng)的Kp值，乘以暴雨均值可得不同設(shè)計(jì)暴雨頻率的設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量。根據(jù)技術(shù)要求，暴雨頻率選擇了5 a一遇、10 a一遇、20 a一遇、50 a一遇、100 a一遇5種頻率。由于《新疆可能最大暴雨圖集》中沒(méi)有年最大10 min暴雨均值等值線圖，根據(jù)查閱尉犁縣水文站多年的降雨資料，對(duì)比最大10 min雨量和最大1 h雨量，發(fā)現(xiàn)最大10 min雨量占最大1 h雨量的20%～80%，但多數(shù)為40%～50%。因此，把圖集中的最大1h暴雨均值乘以系數(shù)0.45作為最大10 min暴雨均值，cv值和1 h相同。

2.2 暴雨時(shí)程分配分析

暴雨時(shí)程分配根據(jù)暴雨圖集中的逐時(shí)概化雨型分配比進(jìn)行分析。根據(jù)小流域匯流時(shí)間，在概化雨型上以最大分配小時(shí)開(kāi)始(即第14 h)，然后按一左一右的原則取出設(shè)計(jì)歷時(shí)內(nèi)各小時(shí)的百分比，并將其總和視為100%。根據(jù)此比例將不同頻率下的降雨量進(jìn)行分配，可得到匯流時(shí)間的設(shè)計(jì)面雨量過(guò)程線。根據(jù)以上方法，可以計(jì)算出尉犁縣分析評(píng)價(jià)對(duì)象新地村所在小流域匯流時(shí)間設(shè)計(jì)暴雨里程分配及暴雨成果，見(jiàn)表1。

3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查成果及現(xiàn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法，本次典型頻率洪水計(jì)算采用4種方法進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 洪水資料分析

尉犁縣沒(méi)有水文監(jiān)測(cè)站，現(xiàn)以附近流域情況相同的的以克爾古提水文站、黃水溝水文站、迪那河水文站為洪水分析計(jì)算的參證站，以該站洪水資料，分析資料系列的可靠性、一致性和代表性。

3.1.1 參證站洪峰流量可靠性審查

位于清水河出山口處的克爾古提水文站，于1956年5月由新疆維吾爾自治區(qū)水利廳設(shè)立，測(cè)站以上集水面積為1 016 km2，為區(qū)域代表站，現(xiàn)有1956-2013年的監(jiān)測(cè)資料。黃水溝水文站于1955年6月設(shè)立，位于和靜縣黃水溝出山口處，測(cè)站以上集水面積4 311 km2，控制著黃水溝來(lái)水量，為區(qū)域代表站。迪那河水文站于1956年在迪那河出山口設(shè)立，具有1959-1969、1973-1992年實(shí)測(cè)的完整年徑流資料，1957-1993年完整的洪水資料。3站水文資料均以水利部部頒刊印資料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算、審查、驗(yàn)證，資料精度可靠。

表1 新地村典型小流域設(shè)計(jì)暴雨成果表

3.1.2 參證站洪峰流量系列一致性分析

克爾古提水文站從1956年8月下遷至今觀測(cè)斷面未發(fā)生變動(dòng)，1957-2013年57年的實(shí)測(cè)年徑流資料具有較好的一致性。本次水文分析計(jì)算所采用的黃水溝、迪那河水文站資料都在同一基本斷面觀測(cè)的，雖部分年的非汛期沒(méi)有觀測(cè)資料，但在發(fā)生洪水的汛期全部有資料，沒(méi)有漏測(cè)洪峰的現(xiàn)象，所以洪峰流量系列具有一致性。

3.1.3 參證站洪峰流量系列代表性分析

根據(jù)3座水文站模比系數(shù)差積曲線和長(zhǎng)短系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)比分析可知，年最大洪峰流量系列基本上包含了洪水的大洪水期、小洪水期及接近于正常洪水的完整周期過(guò)程，因此，3站的年最大洪峰流量系列可以覆蓋一個(gè)比較完整的豐、平、枯水周期，表明系列具有較好的完整性，且Cv值的相對(duì)誤差小于1.0%，亦即系列具有一定的代表性。

綜合上述分析，克爾古提水文站、黃水溝水文站、迪那河水文站洪峰流量系列較長(zhǎng)，且具有一定的可靠性、一致性、代表性，將之作為設(shè)計(jì)流域洪峰流量系列分析的依據(jù)，可以用之反映設(shè)計(jì)流域洪峰年際變化的一般性規(guī)律。

3.2 凈雨分析

基于尉犁縣山洪短歷時(shí)、強(qiáng)降雨的特點(diǎn)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水分析評(píng)價(jià)時(shí)，凈雨分析充分考慮小流域的植被與土壤要素對(duì)植被的影響。尉犁縣植被發(fā)育較差，植被截流量在凈雨計(jì)算中可以忽略，只考慮土壤要素的影響即可。為安全起間，土壤要素對(duì)凈雨的影響，可取土壤的穩(wěn)滲率，該值根據(jù)全國(guó)下發(fā)底圖中所給小流域的穩(wěn)定下滲率值綜合確定。經(jīng)查圖，新地村小流域5 a一遇、10 a一遇、20 a一遇、50 a一遇、100 a一遇凈雨值分別是為21 mm、28 mm、37 mm、48 mm、56 mm。

3.3 洪峰流量合理性分析

受上游冰川融雪及土壤植被變化的影響，巴州地區(qū)清水河、黃水溝、迪那河三大水系洪峰模數(shù)具有一定的差異，但受人類活動(dòng)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(jìn)行地區(qū)綜合的同時(shí)也能兼顧各地區(qū)特有的產(chǎn)匯流特性。本文以克爾古提水文站、黃水溝水文站、迪那河水文站為參證站，分別采用模比系數(shù)綜合頻率曲線法、地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式法、單位線法和推理公式法，對(duì)新地村不同頻率下的洪峰進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 新地村洪峰流量計(jì)算成果匯總表

模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法應(yīng)用水文、環(huán)境特征相近的水文站多年序列資料值做出的綜合頻率曲線為基礎(chǔ)，可降低計(jì)算成果的抽樣誤差，也可消除個(gè)別站的偶然誤差和各水文站的特性差別。該方法的優(yōu)點(diǎn)是選用的水文氣象資料序列長(zhǎng)。洪水資料可靠，且簡(jiǎn)單易行，適合無(wú)資料地區(qū)的洪水推求。地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式法依據(jù)各沿河村落所在小流域參數(shù)信息計(jì)算得到的設(shè)計(jì)洪水與泄洪溝道斷面數(shù)據(jù)無(wú)法對(duì)應(yīng)，故不采用。單位線法依據(jù)不同頻率下的單位線，在凈雨時(shí)程分配成果計(jì)算洪峰流量。單位線法具有一定的理論基礎(chǔ)，是考慮流域大小、形狀、地形地貌及土壤植被的綜合結(jié)果。單位線法操作簡(jiǎn)單，可以計(jì)算出整個(gè)洪水過(guò)程，但是有一定的缺點(diǎn)，該方法是根據(jù)理論公式計(jì)算得出的，而不是傳統(tǒng)意義上基于實(shí)測(cè)資料，所以與實(shí)際情況具有一定的誤差。推理公式法計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是該方法無(wú)實(shí)測(cè)資料作為依據(jù)，具有一定誤差。

綜上所述，只有模比系數(shù)綜合頻率曲線法分析計(jì)算是基于調(diào)查洪水資料，而其它方法都是基于經(jīng)驗(yàn)和理論，為保證沿河村落村民安全，最大限度考慮洪水的影響，建議采用該方法計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)防洪現(xiàn)狀和預(yù)警指標(biāo)。

4 預(yù)警指標(biāo)分析

4.1 預(yù)警時(shí)段確定

預(yù)警時(shí)段指雨量預(yù)警指標(biāo)中采用的典型降雨歷時(shí)，是雨量預(yù)警指標(biāo)的重要組成。受評(píng)價(jià)對(duì)象所在小流域集雨面積大小、降雨強(qiáng)度、流域形狀及其地形地貌、植被、土壤含水量等因素的影響，預(yù)警時(shí)段會(huì)發(fā)生變化。因此，需要合理地確定。針對(duì)尉犁縣暴雨洪水特點(diǎn)，將評(píng)價(jià)對(duì)象所在小流域匯流時(shí)間作為沿河村落預(yù)警指標(biāo)的最長(zhǎng)時(shí)段，對(duì)于匯流時(shí)間較短的增加1～2個(gè)時(shí)段。根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象所在地區(qū)暴雨特性、流域面積大小、平均比降、形狀系數(shù)、下墊面情況等因素，確定比匯流時(shí)間小的短歷時(shí)為典型預(yù)警時(shí)段，一般選取2～3個(gè)典型預(yù)警時(shí)段，最小預(yù)警時(shí)段選為1h。北方干旱區(qū)，由于暴雨強(qiáng)度大且超滲產(chǎn)流突出等特性，最小預(yù)警時(shí)段可選為30 min。經(jīng)綜合確定，新地村所在小流域的匯流時(shí)間為2 h，尉犁縣處于北方干旱地區(qū)，降雨多為短歷時(shí)強(qiáng)降雨，超滲產(chǎn)流特性突出，結(jié)合其下斷面的特性，綜合確定尉犁縣預(yù)警時(shí)段為1 h、2 h和3 h三個(gè)時(shí)段。

4.2 土壤含水量計(jì)算

流域土壤含水量對(duì)流域產(chǎn)流有重要影響。尉犁縣處于北方干旱地區(qū)，產(chǎn)流方式主要以超滲產(chǎn)流為主。本次采用綜合因子法確定扣損值，即綜合考慮流域土壤類型、植被情況、前期土壤干濕情況以及降雨強(qiáng)度等信息，前期土壤濕潤(rùn)、中等濕潤(rùn)、干旱特性指數(shù)分別取0.66、0.76、0.81，進(jìn)入入滲率計(jì)算。

4.3 臨界流量、雨量指標(biāo)

臨界流量即洪水到達(dá)成災(zāi)水位時(shí)對(duì)應(yīng)的洪峰流量。在實(shí)測(cè)控制斷面的基礎(chǔ)上，采用曼寧公式計(jì)算成災(zāi)水位對(duì)應(yīng)的洪峰流量即為臨界流量。新地村轉(zhuǎn)移時(shí)間為30 min，故將產(chǎn)生洪峰前30 min時(shí)流量的降雨作為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量，準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移流量的確定與計(jì)算立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)對(duì)相應(yīng)的洪水過(guò)程密切相關(guān)，既不能簡(jiǎn)單的采用最長(zhǎng)降雨歷時(shí)的洪水過(guò)程線進(jìn)行分析，也不能采用最短降雨歷時(shí)的洪水過(guò)程線進(jìn)行分析，從最大限度的保護(hù)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的角度考慮，并使計(jì)算性較穩(wěn)定，這里根據(jù)各預(yù)警時(shí)段的洪水過(guò)程線計(jì)算出的準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移流量的最小值，確定好準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移流量。

臨界雨量計(jì)算是一個(gè)不斷試算的過(guò)程。首先確定臨界流量和計(jì)算流量的閥值(一般取0.1)，其次假定一個(gè)初始降雨量，并按照雨量及雨型分析得到相應(yīng)的降雨過(guò)程列作為最初的輸入，計(jì)算洪峰流量。結(jié)合評(píng)價(jià)對(duì)象所處的位置及周邊環(huán)境等，規(guī)定準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移時(shí)間為30 min，故將產(chǎn)生洪峰前30 min流量的降雨作為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量。由于新地村成災(zāi)水位均高于百年一遇的洪水位，處于安全區(qū)，故不計(jì)算其發(fā)生頻率和對(duì)應(yīng)流量，也無(wú)需對(duì)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

5 結(jié)語(yǔ)

小流域暴雨是造成山洪災(zāi)害的重要原因，其預(yù)警指標(biāo)也是提高防御能力的重要舉措。本次以新地村為例，對(duì)尉犁縣小流域暴雨洪水預(yù)警時(shí)間指標(biāo)確定方法進(jìn)行了探討。文章分析了尉犁縣防洪現(xiàn)狀和暴雨洪水特性，以小流域匯流時(shí)間為特征時(shí)段，經(jīng)過(guò)不同計(jì)算方法，得到了5 a、10 a、20 a、50 a、100 a一遇的設(shè)計(jì)雨型及相應(yīng)的設(shè)計(jì)暴雨洪水。綜合考慮防災(zāi)對(duì)象所處河段河谷形態(tài)、洪水上漲速度、預(yù)警響應(yīng)時(shí)間和站點(diǎn)位置等因素，在臨界雨量、流量的基礎(chǔ)上確定小流域暴雨洪水預(yù)警時(shí)間指標(biāo)分別為1 h、2 h和3 h，這將為當(dāng)?shù)靥岣呱胶闉?zāi)害防御能力奠定基礎(chǔ)。