石河子市巴音溝流域山洪災(zāi)害預(yù)警研究

（新疆石河子巴音溝河流域管理處，石河子市，832000） 馬紅剛

1 簡述

針對中小河流及小流域范圍內(nèi)的山洪災(zāi)害研究是近年來國內(nèi)洪澇災(zāi)害研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。所謂流域是指匯集地表水和地下水的區(qū)域，也就是河流分水線所包圍的區(qū)域，山丘區(qū)的小流域根據(jù)《全國山洪災(zāi)害防治規(guī)劃》的劃定，流域面積小于3 000km2的河流稱為中小河流。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般年份我國中小河流水災(zāi)損失約占全國水災(zāi)總損失的70%～80%，近10a中小河流洪水災(zāi)害和山洪災(zāi)害造成的死亡人數(shù)占水災(zāi)死亡人數(shù)的2/3以上。可見中小河流人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重，實(shí)施中小河流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)作業(yè)是一項(xiàng)迫在眉睫、刻不容緩的工作。

2 研究區(qū)域巴音溝河流域概況

巴音溝河流域位于新疆南部天山北坡中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，東與金溝河相鄰，西與奎屯河接壤，南抵依連哈比爾尕山脈的冰峰雪嶺，北達(dá)古爾班通古特沙漠(其地理位置為東經(jīng)84°45'～85°27'北緯43°29'～44°58'，河流水網(wǎng)發(fā)育，成樹狀水系。發(fā)源于烏蘇縣境內(nèi)，由卡哈爾阿特，阿冬薩拉，哈爾莫仁，阿勒泰沙拉，依克馬斯吐（喇嘛廟水文站觀測的俗稱大河方向）及東測沙灣縣境內(nèi)的巴依什果勒，烏拉斯臺（俗稱小河方向）等七條主要支流在二道溝（安集海大峽谷）匯集成一條主流而成，自西南流向東北，全長160Km。見圖1。巴音溝河流域集水面積為1 579Km2，,森林覆蓋面積51Km2最大年徑流量為4.33億m3，最小年徑流量2.22億m3全年徑流量分配，春季（3～5月）0.19億m3，占全年的6.55%，夏季（6～8月）2.28億m3，占全年的,72.19%，秋季（9～11月）0.52億m3，占全年的16.7%，冬季（11～2月）0.14億m3，占全年的4.57%，其徑流以既有高山冰川和永久性積雪補(bǔ)給，又有中、低山區(qū)季節(jié)性積雪和夏季降水補(bǔ)給。巴音溝河儲冰量92×108m3，折合水量74×108m3，年平均融水量 1.50×108m3～2.00×108m3，徑流量由冰川融水約占年徑流量的25%～35%、降雨融雪混合補(bǔ)給約占年徑流量的45%～55%，地下水約占年徑流量的15%～25%組成。海拔3 800m以上的冰川和永久性積雪為河流提供了充足的水源。由此可見，巴音溝河的徑流由降雨融雪混合補(bǔ)給、冰雪融水補(bǔ)給和地下水補(bǔ)給共同構(gòu)成，其中冰川、積雪消融在巴音溝河徑流量中占有重要的地位，同時(shí)穩(wěn)定的冰雪融水補(bǔ)給和地下水補(bǔ)給每年為巴音溝河至少提供了2.1億的穩(wěn)定供給，而下游安集海灌區(qū)及安下調(diào)水及水庫蓄水量的多年總平均用水量為1.8億，巴音溝可以滿足下游灌區(qū)用水要求。安集海灌區(qū)用水單位，主要為新疆沙灣縣安集海鎮(zhèn)，新疆兵團(tuán)八師141團(tuán)，142團(tuán)，144團(tuán)部分連隊(duì)，下野地部分團(tuán)場。河道沿岸從上往下的重點(diǎn)單位有，巴音溝河渠首站，新疆沙灣安集海鎮(zhèn)元新宮隊(duì)，獨(dú)山子第四水源地，沙灣水源地地下管線，西氣東輸?shù)叵鹿芫€，鐵路，高速公路，國道，巴管處安集海水庫一庫二庫，142團(tuán)，141團(tuán)，122團(tuán)。

巴音溝河渠首位于巴音溝河出山口巴音山莊景區(qū)內(nèi)。巴音溝河攔沙庫閘為攔河式水閘，4孔5米寬，此處為巴音溝河最窄段，故將此處作為研究對象。

圖1 研究區(qū)地理位置

3 研究區(qū)域水文站氣象站分布情況

水文站：喇嘛廟水文站隸屬新疆烏蘇市，巴音溝河引水樞紐水文站隸屬新疆石河子市，安集海水庫水文站隸屬新疆石河子市；洪水?dāng)?shù)據(jù)使用巴音溝河引水樞紐水文站數(shù)據(jù)。見圖2。

圖2 水文站氣象站分布圖

自動氣象站：建成6處，可以使用3處。新疆氣象臺2014年在巴音溝河牧場（隸屬新疆烏蘇市），2014年鹿角灣景區(qū)（隸屬新疆沙灣縣），2011年在巴音山莊景區(qū)（隸屬新疆石河子市），設(shè)立自動氣象站。降雨數(shù)據(jù)使用以上三處自動氣象站。數(shù)據(jù)來源于新疆氣象臺網(wǎng)站。

4 山洪預(yù)報(bào)技術(shù)研究現(xiàn)狀

山洪災(zāi)害時(shí)間預(yù)報(bào)技術(shù)是指通過技術(shù)手段預(yù)報(bào)山洪泥石流的發(fā)生時(shí)間，在預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上對外界發(fā)出山洪預(yù)警，提前做出相應(yīng)的反應(yīng)減少山洪災(zāi)害帶來的損失。時(shí)間預(yù)報(bào)技術(shù)分為中長期預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)兩種，兩種技術(shù)相互關(guān)聯(lián)。

目前，國外常用的山洪預(yù)警技術(shù)主要分為兩類，一類為美國國家水文研究中心（HRC）主持研制的基于動態(tài)臨界雨量的山洪預(yù)警指南系統(tǒng)；另一類為以歐盟國家為主，采用高分辨率分布式水文模擬法，根據(jù)不同流域的流域性特點(diǎn)，研究分布或半分布式水文模型在不同環(huán)境特征小流域山洪預(yù)警中的應(yīng)用情況。山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)主要為兩類，一類為臨界雨量，即當(dāng)降雨量達(dá)到或超過某一量級和強(qiáng)度時(shí)，流域內(nèi)爆發(fā)山洪災(zāi)害的可能性較大；另一類為臨界水位/流量，可以理解為該流域的特征水位/流量。

國內(nèi)的研究探索可以大致分為對預(yù)警指標(biāo)和預(yù)警模型兩個(gè)方向。國內(nèi)針對預(yù)警指標(biāo)的探索雖然開展的較早，但是深度不夠，主要還是集中在以臨界雨量作為預(yù)警指標(biāo)的范圍內(nèi)，針對大部分地區(qū)臨界雨量研究基本采用統(tǒng)計(jì)歸納的方法，該方法對前期雨量的考慮十分有限，但是由于其實(shí)用性較強(qiáng)、準(zhǔn)確度高一直為確定臨界雨量閾值的首推方法。水文模型的最終目的也都在于將自然過程進(jìn)行公式和數(shù)值上的轉(zhuǎn)變，模擬從降雨到徑流的過程。水文模型一方面需要大量的基礎(chǔ)資料來確定和驗(yàn)證參數(shù)，其對原始數(shù)據(jù)的要求一直較高；另一方面一些大型水文模型例如新安江模型更適用于大型地區(qū)的水文預(yù)報(bào)，在小流域地區(qū)由于小流域地區(qū)面積較小、匯流過程短、基礎(chǔ)資料不健全等多種原因，預(yù)報(bào)精度并不盡如人意。

5 巴音溝流域臨界雨量計(jì)算

1、區(qū)域臨界雨量法，以臨界雨量作為預(yù)警指標(biāo)，利用已經(jīng)發(fā)生洪水，研究發(fā)生洪水時(shí)，發(fā)生洪水前研究區(qū)域內(nèi)，各自動氣象站的降雨量，和累積降雨量，確定“恰好”發(fā)生洪水前的各時(shí)段累積降雨量，利用統(tǒng)計(jì)歸納的方法，統(tǒng)計(jì)出臨界雨量范圍值。由于降雨量不僅代表預(yù)報(bào)河流控制斷面上游的面平均雨量，同時(shí)也與下墊面情況、前期雨量等因素密切相關(guān)，實(shí)際運(yùn)用中導(dǎo)致多場山洪發(fā)生的降雨量在不同條件下必然不盡相同，作者增加了前2d，前3d的累積降雨量數(shù)據(jù)，希望能包括更多條件下的洪水預(yù)報(bào)。（見表1）

表1 巴音溝河山洪典型區(qū)臨界雨量表(mm)

2、水位反推法，以巴音溝河出山口最窄處攔沙庫水閘為研究對象。選擇2種條件下對應(yīng)的雨量，第一種條件是，就是巴音溝河沒有降雨情況下日常情況最大流量，同時(shí)也是水閘日常運(yùn)行安全的數(shù)值范圍內(nèi)，發(fā)生事故機(jī)會較少。也就是警戒流量，對應(yīng)的警戒水位。第二種條件是，水閘能過最大流量，同時(shí)水閘即將發(fā)生水毀的流量，發(fā)生事故可能較大的危險(xiǎn)流量，對應(yīng)的危險(xiǎn)水位。

（1）確定流量

通過多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可以確定警戒流量為65m3/s，通過水閘實(shí)際情況以及安全鑒定情況可以確定最大流量為200m3/s，既為危險(xiǎn)流量。

（2）確定水位

式中的m為流量系數(shù)，b為閘寬，e為啟閘高度，h為閘前水位，g為9.8，由于是堰流，e等于h。黃河水科院2016年10月為巴音溝河渠首除險(xiǎn)加固工程進(jìn)行模型試驗(yàn)為巴音溝河堰流測算m為0.434。將水閘b為20，g為9.8，m為0.434帶入式中得出；

通過將流量帶入式中，可以得出警戒水位為1.4m，危險(xiǎn)水位為3m。

（3）將1958年至2018年的洪水（1981至1987年暫缺）的洪峰數(shù)據(jù)，利用綜合單位線法計(jì)算得到該流域各設(shè)計(jì)頻率P下的設(shè)計(jì)洪峰流量Qmax，p，點(diǎn)繪兩者之間的關(guān)系（如下圖所示）。

得出公式：

將Q和p替換Y和X，得出洪峰頻率曲線公式

將警戒流量為65m3/s，危險(xiǎn)流量為200m3/s。帶入Q得出P警戒=80.P危險(xiǎn)=10.

（3）將2014年至2018年的產(chǎn)生洪峰的降雨數(shù)據(jù)，按照1h,3h,3h,1d,2d,3d累積降雨量利用PⅢ頻率曲線分析得到相應(yīng)時(shí)段的設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)，點(diǎn)繪兩者之間的關(guān)系。

Y=-4.38In(X)+24.843 R2=0.992

Y=-8.205In(X)+46.533 R2=0.992

Y=-10.13In(X)+57.478 R2=0.992

Y=-16.08In(X)+91.212 R2=0.992

Y=-17.75In(X)+100.64 R2=0.992

Y=-18.491In(X)+104.87 R2=0.992

將P警戒=80.P危險(xiǎn)=10.帶入X的得出降雨量

水位反推法 P危險(xiǎn)P警戒1h 16 5 3h 31 10 6h 38 12 1d 60 19 2d 60 19 3d 69 22

2、綜合兩種方法確定綜合臨界雨量指標(biāo)表

將區(qū)域臨界雨量的最大值與最小值同水位反推法的危險(xiǎn)值與警戒值平均得出綜合臨界雨量指標(biāo)。（見表2）

6 巴音溝河山洪預(yù)警方案

本次巴音溝河流域的山洪災(zāi)害預(yù)警等級分為“準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移”和“立即轉(zhuǎn)移”兩個(gè)等級。

臨界雨量閾值法：

平均1h 3h 6h 1d 2d 3d范圍5.5-9.559-17.899-22.0913.6-36.0618.4-38.6918.4-40.31

巴音溝河流域的預(yù)警流程設(shè)計(jì)集中了臨界雨量閾值法和暴雨臨界曲線法各自的優(yōu)點(diǎn)，在過程中并不是對每一時(shí)刻都計(jì)算3雨量站的統(tǒng)計(jì)值，而是利用對過去2d較大降雨統(tǒng)計(jì)和未來1d降雨量的預(yù)判將預(yù)警流程分為，當(dāng)預(yù)判的結(jié)果顯示過去2d較大降雨未來1d發(fā)生山洪的可能性較大時(shí)，即使用預(yù)警效果較好的臨界雨量閾值方法進(jìn)行預(yù)警。

表2 綜合臨界雨量指標(biāo)表

當(dāng)降雨可能性較小時(shí)，即使用實(shí)用型的1h暴雨臨界曲線對現(xiàn)狀進(jìn)行快速的判斷。通過對未來1d山洪災(zāi)害的預(yù)判，可以有針對性的對不同的預(yù)判結(jié)果進(jìn)行預(yù)警指標(biāo)計(jì)算方法的選擇。

一方面充分發(fā)揮了多種預(yù)警指標(biāo)計(jì)算方法各自的長處，物盡其用；另一方面也為防汛部門節(jié)約了人力物力，最終在最大限度上發(fā)揮山洪預(yù)警防災(zāi)減災(zāi)的功效，達(dá)到科學(xué)預(yù)警的目的。

7 結(jié)語

（1）通過針對山洪災(zāi)害對應(yīng)降雨過程的研究，認(rèn)為降雨是誘發(fā)地方山洪災(zāi)害的直接外力因素。6～8月是研究區(qū)的汛期，常出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間長、累計(jì)雨量大的降雨過程，然而短歷時(shí)大強(qiáng)度暴雨也時(shí)有發(fā)生，而研究區(qū)內(nèi)的山洪災(zāi)害皆發(fā)生在其中的6～8月。側(cè)重前期累計(jì)降雨量作為山洪預(yù)警雨量指標(biāo)的先決條件。

（2）巴音溝河流域氣候地質(zhì)的特殊情況，下墊面和前期雨量在巴音溝河作用特別明顯，所有研究發(fā)生洪水前1d,2d,3d很有意義，作者增加了前1d，2d，3d的數(shù)據(jù)。

（3）巴音溝河山洪預(yù)警中，當(dāng)過去1d，2d降雨較多，或者已經(jīng)發(fā)生山洪，預(yù)報(bào)預(yù)計(jì)未來1d降雨較大時(shí)，發(fā)生山洪可能性較大。當(dāng)過去1d，2d沒有降雨，未來1d降雨可能性較小時(shí)，即使用實(shí)用型的1h暴雨臨界曲線，根據(jù)實(shí)際降雨量，進(jìn)行預(yù)警。