新疆小流域山洪臨界雨量分析計(jì)算
——以天山北坡巴音溝河流域?yàn)槔?/h1>

2019-04-15 03:11:54新疆石河子市巴音溝河流域管理處石河子市832116馬紅剛

石河子科技訂閱 2019年1期 收藏

關(guān)鍵詞：區(qū)域

（新疆石河子市巴音溝河流域管理處，石河子市，832116） 馬紅剛

引發(fā)中小河流洪水災(zāi)害和山洪災(zāi)害的外動(dòng)力因素是降雨，當(dāng)降雨達(dá)到一定的量級(jí)或強(qiáng)度時(shí)才引發(fā)中小河流洪水災(zāi)害和山洪災(zāi)害。臨界雨量是指在一個(gè)流域或區(qū)域內(nèi)，某一時(shí)間段內(nèi)降雨量達(dá)到或超過(guò)某一量級(jí)和強(qiáng)度時(shí)，該流域或區(qū)域?qū)l(fā)生山溪洪水、泥石流、滑坡等山洪災(zāi)害，這個(gè)降雨量或降雨強(qiáng)度稱(chēng)為該流域或區(qū)域的臨界雨量（強(qiáng)）。臨界雨量是中小河流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)作業(yè)的重要基礎(chǔ)，在水文站點(diǎn)缺乏的地區(qū)只能通過(guò)臨界雨量進(jìn)行預(yù)警;在有水文站點(diǎn)的地區(qū)，因流域坡度陡、面積小，從降雨發(fā)生到災(zāi)害出現(xiàn)往往時(shí)間較短，預(yù)報(bào)的見(jiàn)期亦非常短，尤其是水文站點(diǎn)與防護(hù)對(duì)象同區(qū)時(shí)，只能根據(jù)臨界雨量進(jìn)行預(yù)警。因此，臨界雨量的分析計(jì)算對(duì)中小河流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)作業(yè)有著重要的意義。近年來(lái)，隨著中國(guó)國(guó)力的提高，國(guó)家大力發(fā)展自動(dòng)氣象站、通訊基站的建設(shè)，同時(shí)伴隨著4G網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)通訊手段的提高，隨著這些氣象站通行基站在縣鄉(xiāng)甚至村一級(jí)的加密布置，可以輕易的獲得自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)的降雨數(shù)據(jù)，使得臨界雨量指標(biāo)的研究分析更加方便，臨界雨量的防洪減災(zāi)的效用得以提

1 研究臨界雨量的方法

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在臨界雨量方面做了很多有益探索，方法歸納起來(lái)主要分為理論方法和經(jīng)驗(yàn)方法兩大類(lèi)。理論方法以山洪災(zāi)害形成的水文學(xué)、水力學(xué)過(guò)程為基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)的物理機(jī)制和推導(dǎo)過(guò)程，主要包括水位反推法、土壤飽和度－降雨量關(guān)系法、暴雨臨界曲線法等。水位反推法以洪水與暴雨同頻率為基礎(chǔ)，結(jié)合歷次災(zāi)害水位及防洪工程情況計(jì)算分析臨界雨量，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的參考價(jià)值。經(jīng)驗(yàn)方法無(wú)明顯的推導(dǎo)過(guò)程和物理機(jī)理，對(duì)資料要求不高，主要依據(jù)地理?xiàng)l件相似性、事件相關(guān)性等原則確定山洪災(zāi)害臨界雨量指標(biāo)，有資料地區(qū)主要采取統(tǒng)計(jì)歸納法，統(tǒng)計(jì)歸納法通過(guò)對(duì)不同雨量站歷次災(zāi)害資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算得到臨界雨量，該法按范圍不同又可分為單站臨界雨量法、區(qū)域臨界雨量法等。鑒于此，本文主要基于區(qū)域臨界雨量法和水位反推法分析計(jì)算確定臨界雨量。

2 區(qū)域山洪臨界雨量的分析計(jì)算（區(qū)域臨界雨量法）

2.1 資料收集與統(tǒng)計(jì)

首先根據(jù)區(qū)域內(nèi)各雨量站歷史山洪災(zāi)害發(fā)生時(shí)間表，收集對(duì)應(yīng)的雨量資料（區(qū)域內(nèi)只要有一個(gè)站發(fā)生山洪，視為該區(qū)域內(nèi)發(fā)生了山洪，則區(qū)域內(nèi)所有雨量站都要收集和統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)的降雨過(guò)程資料），降雨過(guò)程的劃分與單站方法相同。

計(jì)算區(qū)域內(nèi)與歷次山洪災(zāi)害對(duì)應(yīng)的各時(shí)段最大面平均雨量，假設(shè)區(qū)域內(nèi)共有S個(gè)雨量站，共發(fā)生山洪災(zāi)害N次，共統(tǒng)計(jì)T個(gè)時(shí)段的面平均雨量，面平均雨量計(jì)算可采用算術(shù)平均法、泰森多邊形法、雨量等值法等多種方法，根據(jù)典型區(qū)域的實(shí)際情況而定，但要保證計(jì)算得到的面平均雨量的精度。Rtj為t 時(shí)段第j 次山洪災(zāi)害對(duì)應(yīng)雨量過(guò)程中的最大面平均雨量（通過(guò)滑動(dòng)平均得出），則區(qū)域內(nèi)各時(shí)段有N個(gè)（每場(chǎng)災(zāi)害一個(gè)）最大面平均雨量值。

2.2 區(qū)域臨界雨量的初值確定

統(tǒng)計(jì)N 次山洪災(zāi)害各時(shí)段最大雨量面平均值的最小值，即為各時(shí)段區(qū)域山洪臨界雨量初值。

2.3 區(qū)域臨界雨量分析

（2）區(qū)域山洪災(zāi)害臨界雨量，可作為判別區(qū)域內(nèi)有無(wú)山洪災(zāi)害發(fā)生的定量指標(biāo)，因在統(tǒng)計(jì)山洪災(zāi)害次數(shù)時(shí)，只要區(qū)域內(nèi)有1個(gè)站發(fā)生了山洪災(zāi)害，就認(rèn)為區(qū)域內(nèi)有山洪災(zāi)害發(fā)生。因此，它無(wú)法判別區(qū)域內(nèi)受災(zāi)面積的大小及災(zāi)害嚴(yán)重程度（面降雨量越來(lái)大于臨界雨量，災(zāi)害將越嚴(yán)重），但這種方法對(duì)資料要求不高，對(duì)于雨量站密度相對(duì)較小的區(qū)域，比較適用。

3 臨界雨量分析計(jì)算實(shí)例

3.1 巴音溝河流域概況

巴音溝河流域遠(yuǎn)離海洋，地處歐亞大陸腹地，位于新疆天山北坡中段，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哈爾阿特河33 號(hào)冰川，北達(dá)古爾班通古特沙漠。其地理位置介于東經(jīng)84°45′～85°27′，北緯43°29′～44°58′之間。巴音溝河發(fā)源于天山北坡高山帶，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(chǔ)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。地貌總體上從南到北依次為山地一前山丘陵一山麓傾斜平原一沖一湖積平原。

3.2 流域內(nèi)自動(dòng)氣象站和水文站概況

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(kù)水文站隸屬新疆石河子市；本文中的洪水?dāng)?shù)據(jù)使用巴音溝河引水樞紐水文站數(shù)據(jù)。

自動(dòng)氣象站：建成6處，可以使用3處。新疆氣象臺(tái)2014 年在巴音溝河牧場(chǎng)（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(dòng)氣象站。降雨數(shù)據(jù)使用以上三處自動(dòng)氣象站。數(shù)據(jù)來(lái)源于新疆氣象臺(tái)網(wǎng)站。

3.3 臨界雨量分析計(jì)算前說(shuō)明

統(tǒng)計(jì)2014年以來(lái)的洪水資料，和洪水管理實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)研究相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)，前1h，前3h，前6h，前1d，前2d，前3d。研究發(fā)生洪水和不同時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生降雨之間的關(guān)系。

受氣象站統(tǒng)計(jì)降雨數(shù)據(jù)限制，對(duì)10min和30min的降雨無(wú)法獲取，在此不做研究，由于巴音溝河發(fā)生連續(xù)兩天和連續(xù)三天發(fā)生2 次洪水情況較多，如果將這種連續(xù)洪水第二次洪水列入研究范圍,將會(huì)將導(dǎo)致計(jì)算出來(lái)的1h，3h，臨界雨量初值拉低，導(dǎo)致計(jì)算和分析結(jié)果無(wú)法使用。第二次洪水不作為研究對(duì)象。為了涵蓋這種情況，在原研究基礎(chǔ)上增加了前2d，前3d降雨。

（1）洪水與對(duì)應(yīng)降雨表

根據(jù)區(qū)域發(fā)生山洪災(zāi)害時(shí)間，統(tǒng)計(jì)分析該山洪災(zāi)害發(fā)生時(shí)前所對(duì)應(yīng)的最大1h、3h、6h、1d、2d、3d的降雨量，根據(jù)歷次災(zāi)害雨量合理確定各時(shí)段臨界雨量，結(jié)果如表1所示。

表1 典型山洪洪水與降雨表

把下游洪水發(fā)生的時(shí)間，通過(guò)多年洪水工作經(jīng)驗(yàn)，回歸到上游各支流初始洪水匯流時(shí)間。由于降雨從降雨點(diǎn)到巴音山莊時(shí)間不同，鹿角灣設(shè)定為提前2h，巴音溝牧場(chǎng)設(shè)定為提前2.5h，巴音山莊為提前0h。通過(guò)數(shù)據(jù)降雨時(shí)間點(diǎn)和洪水發(fā)生時(shí)間對(duì)照，滿足經(jīng)驗(yàn)方法。由于自動(dòng)氣象站的相對(duì)距離較小，都小于25km，計(jì)算時(shí)繼續(xù)合并計(jì)算。

（2）計(jì)算過(guò)程及結(jié)果

巴音溝河山洪典型區(qū)臨界雨量(mm)

洪峰20140715 20150627 20160629 20160707 20160711 20170622 20170715 20180813最大最小平均臨界雨量1h 7 5.5 9.1 10 8.8 12.1 18.1 5.8 18.1 5.5 9.55 5.5-9.55 3h 9.6 10 16.7 10.1 9 50.8 27.4 9.5 50.8 9 17.89 9-17.89 6h 13.6 24.5 17.2 10.3 9 53.1 27.5 21.5 53.1 9 22.09 9-22.09 1d 13.6 24.5 18.4 52.9 18 57.2 66.1 29.8 66.1 13.6 35.06 13.6-36.06 2d 19.5 24.5 18.4 63 22.5 65.1 66.6 29.9 66.6 18.4 38.69 18.4-38.69 3d 19.5 24.5 18.4 63 31.9 65.1 70.2 29.9 70.2 18.4 40.31 18.4-40.31

4 水位反推法分析計(jì)算

4.1 水位反推法

假設(shè)洪水與暴雨同頻率，主要思路和方法如下。

（1）根據(jù)流域內(nèi)水閘具體情況、歷史洪水災(zāi)害發(fā)生位置等選取控制斷面，分析確定歷史最高水位、警戒水位（威脅水閘安全，準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移的水位）、危險(xiǎn)水位（水閘可能隨時(shí)發(fā)生險(xiǎn)情，需立即轉(zhuǎn)移的水位），根據(jù)水位流量關(guān)系，計(jì)算各控制水位對(duì)應(yīng)的流量Q警戒、Q危險(xiǎn)。

（2）進(jìn)行洪水計(jì)算，確定各暴雨頻率P下降雨形成的斷面洪水過(guò)程線，并繪制各頻率洪水洪峰流量與暴雨頻率的關(guān)系曲線圖Qmax，p～P。

（3）從Qmax，p～P關(guān)系曲線上查得與Q 警戒、Q危險(xiǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值P警戒、P危險(xiǎn)。

根據(jù)P 警戒、P 危險(xiǎn)，由頻率計(jì)算得到各時(shí)段（1、3、6、24、48、72）警戒雨量、危險(xiǎn)雨量。

4.2 警戒水位、危險(xiǎn)水位，對(duì)應(yīng)的警戒流量，危險(xiǎn)流量

首先確定突發(fā)洪水可能影響水閘安全，加大觀察的水位和流量，再確定水閘可能失事，人員立即轉(zhuǎn)移的水位和流量。然后通過(guò)水位流量關(guān)系圖確定流量。

巴音溝河渠首攔沙庫(kù)閘為5m 寬4m 高4 孔閘，泄洪時(shí)為四孔閘全部提空，適用堰流公式，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。

（1）流量系數(shù)的確定：

黃河水科院按照1:40 的比例，制作模型，驗(yàn)證溢流堰和水位關(guān)系圖，

溢流堰水位流量關(guān)系

黃河水科院為巴音溝河渠首改建工程通過(guò)試驗(yàn)測(cè)算堰流的流量系數(shù)為0.434。由于改建工程即將實(shí)施，改建工程的溢流堰為40m 寬，而現(xiàn)有水閘工程閘底寬合計(jì)20m。通過(guò)水閘運(yùn)行單位下游引水閘實(shí)測(cè)比較和試驗(yàn)測(cè)算結(jié)果較為接近，所以在此流量系數(shù)選用0.434。

簡(jiǎn)化為：

將各水位帶入式中得到以下水位流量曲線：（見(jiàn)圖1）

圖1

巴音溝河攔沙庫(kù)閘為中性攔河式水閘，河壩寬550m，閘前淤積嚴(yán)重，水閘即將進(jìn)行除險(xiǎn)加固，水閘過(guò)水能力不足降為200m3/s,在此將200m3/s設(shè)定為危險(xiǎn)流量和對(duì)應(yīng)危險(xiǎn)水位3m。巴音溝河汛期日常運(yùn)行流量為30m3/s 至60m3/s，在此將65m3/s 設(shè)定為警戒流量和對(duì)應(yīng)警戒水位1.4m。

（2）洪水警戒頻率，洪水危險(xiǎn)頻率

將1958 年至2018 年，（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（見(jiàn)圖2）

根據(jù)Q警戒、Q危險(xiǎn)，從圖2中查得警戒和危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)的頻率P警戒、P危險(xiǎn)分別為80%、10%。由各時(shí)段暴雨序列資料，采用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)，結(jié)果見(jiàn)表2。由各時(shí)段暴雨P(guān)Ⅲ頻率曲線，計(jì)算得到各時(shí)段對(duì)應(yīng)頻率的警戒雨量、危險(xiǎn)雨量（見(jiàn)表2）。

圖2

（3）暴雨警戒頻率，暴雨危險(xiǎn)頻率

水位反推法是基于暴雨、洪水同頻率的假定，即臨界流量與臨界雨量對(duì)應(yīng)的頻率一致。根據(jù)防災(zāi)對(duì)象的實(shí)際情況，確定防災(zāi)對(duì)象附近溝道控制斷面上可能發(fā)生山洪災(zāi)害的臨界洪水位。根據(jù)水位-流量關(guān)系反推出臨界流量及相應(yīng)頻率?；谕l率的假定，利用水文氣象資料確定臨界雨量頻率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)面暴雨量值，最終利用暴雨公式確定防災(zāi)對(duì)象各典型預(yù)警時(shí)段對(duì)應(yīng)的臨界雨量值。制作不同時(shí)間暴雨頻率曲線圖

（4）水位反推法結(jié)論

通過(guò)在圖表中查得

72h 69 22頻率10 80 P危險(xiǎn)P警戒洪水207 65 1h 16 5 3h 31 10 6h 38 12 24h 60 19 48h 60 19

5 綜合區(qū)域臨界雨量法和水位反推法確定臨界雨量指標(biāo)（見(jiàn)表2）

表2 巴音溝河山洪典型區(qū)臨界雨量(mm)

6 結(jié)語(yǔ)

巴音溝河流域是典型的山區(qū)小流域，坡降較陡，局部暴雨強(qiáng)度大，洪水具有匯流時(shí)間短、流速快、沖擊力大、破壞性強(qiáng)等特點(diǎn)，極易造成水土流失，大量泥沙、卵石被沖入河道，淤積河道，抬高河床，嚴(yán)重威脅到兩岸的村莊和農(nóng)田，沖毀水利設(shè)施和道路工程，危及人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。天山北坡是新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的地區(qū)，新疆巴音溝河流域位于天山北坡中段沙灣縣境內(nèi)，巴音溝河上游的鹿角灣景區(qū)，中游的安集海大峽谷景區(qū)，臨近的獨(dú)庫(kù)公路，待普僧景區(qū)，來(lái)往這些地方多為山區(qū)公路，都是新疆著名的自駕游旅游景點(diǎn)。同時(shí)本地區(qū)也是牧區(qū)、煤區(qū)、景區(qū)，研究本地區(qū)的臨界雨量，可以為牧區(qū)牧民、游客、牲畜以及煤礦避免泥石流和山洪的做出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

通過(guò)山洪災(zāi)害臨界雨量計(jì)算分析方法，并初步確定了巴音溝河小流域山洪災(zāi)害臨界雨量指標(biāo)，采用區(qū)域臨界雨量法和水位反推法，確定巴音溝河小流域1h、3h、6h、24h、臨界雨量值；另外，考慮山洪災(zāi)害當(dāng)天雨量和前期有效雨量的關(guān)系，增加了48h、72h雨量統(tǒng)計(jì)，建立了臨界雨量指標(biāo)，巴音溝河臨近四棵樹(shù)河，奎屯河，金溝河，寧家河，瑪納斯河，塔西河，通過(guò)研究巴音溝河臨界雨量可以為臨近河流研究臨界雨量，提供比擬對(duì)象。臨界雨量的確定為管理巴音溝河渠首管理山洪型洪水提供了基礎(chǔ)理論依據(jù)，為巴音溝河渠首洪水預(yù)警提供了依據(jù)，也促使下游安集海灌區(qū)防洪體系更加完備。為該地區(qū)區(qū)洪水預(yù)報(bào)工作提供一定的參考價(jià)值。

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