新疆地區(qū)暴雨洪水特征及成因分析

程 凡

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

新疆位于E73°40′-E96°18′和N34°25′-N48°10′之間，是中國(guó)最大的省級(jí)行政區(qū)域。新疆地處內(nèi)陸深處，典型的溫帶大陸性氣候，溫差大，日照時(shí)間充足，年日照時(shí)間可達(dá)2 500～3 500 h。新疆的年平均降水量約為150 mm，降水量少，但各地之間的降水差異很大；它主要包括塔里木河、伊犁河和額爾齊斯河三大河系；降水稀少，氣候干燥，每年都會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的極端惡劣天氣。

由于暴雨洪水對(duì)人類和城市的破壞性極大，加之新疆經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后、水資源匱乏，因此分析新疆暴雨洪水的特點(diǎn)和成因，對(duì)新疆水資源的利用具有重要意義。

1 暴 雨

項(xiàng)目研究區(qū)地處干旱半干旱地區(qū)，受其水分輸送條件和特殊的自然地理因素的影響，地區(qū)暴雨頻發(fā)。盆地上方的主要水源是西風(fēng)氣流，攜帶冷水和濕水的氣流沿阿拉套山和科古琴山向東進(jìn)入流域。流域下游夏季氣溫高，氣候干燥，下墊面蒸發(fā)強(qiáng)烈，有利于暖氣團(tuán)的形成。特別是博爾德塔拉谷地附近的低丘地帶，由于準(zhǔn)噶爾盆地和博爾德塔拉谷地的高溫高壓、熱量傳遞、溫度氣團(tuán)的變化，加上地形影響，容易形成鋒面暴雨，再加上植被覆蓋的區(qū)域性差異，降雨量較多，往往會(huì)導(dǎo)致局部暴雨洪水。參考降水和洪水觀測(cè)資料，適當(dāng)降低區(qū)域內(nèi)暴雨標(biāo)準(zhǔn)，以降水強(qiáng)度≥10 mm/h或≥20 mm/d降水作為暴雨分類標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 暴雨成因

該地區(qū)有兩個(gè)主要的水汽來(lái)源，即西部路徑和北部路徑。西部路線來(lái)自潮濕的大西洋西風(fēng)緯向環(huán)流。雖然它靠近博爾塔拉河流域，但對(duì)流層上部全年都是自由的，幾乎沒(méi)有障礙物。一路上，受到黑海、地中海、咸海和大量水汽補(bǔ)充，所以空氣流入博爾塔拉河流域，經(jīng)常造成降水天氣。北線流經(jīng)西伯利亞西部，進(jìn)入博爾塔拉河流域，受西伯利亞冷空氣團(tuán)控制，主要以冷卻為主，降水很少。每年6-8月份，新疆受南亞大陸熱量低壓影響，天氣變化更加頻繁。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，流域及附近的中低山區(qū)發(fā)生了數(shù)十起暴雨洪水災(zāi)害，發(fā)生頻率遠(yuǎn)高于其他地區(qū)。

從地形上看，阿拉套山和科古琴山形成的博爾塔拉山谷有利于水汽在西部的積累，阿拉塔山和科古琴山前的隆起帶形成山谷環(huán)流。但這兩個(gè)因素阻礙了氣團(tuán)和鋒面運(yùn)動(dòng)，使得山前降水時(shí)間延長(zhǎng)，降水強(qiáng)度增加。另一個(gè)因素是在氣溫?zé)岬淖兓瘲l件下，沉淀的前幾天暴雨出現(xiàn)交替，植被覆蓋率較低，當(dāng)天氣好時(shí)暴露在陽(yáng)光的一天，溫度迅速上升，土壤水分蒸發(fā)，潮濕的空氣不斷上升的通脹，晚上邊坡快速冷卻，冷濕空氣沿著山坡下沉，熱身底部上升的熱空氣冷卻很容易形成沉淀，如果此時(shí)有一股西風(fēng)的水汽沿著山坡爬升，則更有可能形成靜止鋒和特大暴雨[2]。

綜上分析可以得到，暴雨不僅受天氣系統(tǒng)的影響，還受特殊地形因素的影響。

1.2 暴雨特征情況

1.2.1 年內(nèi)分布不均，年際間頻發(fā)

依照暴雨指標(biāo)統(tǒng)計(jì)歷年各月暴雨發(fā)生次數(shù)的資料，研究區(qū)共包括兩個(gè)水文站。1號(hào)水文站1959-2016年的58年中，共發(fā)生287次較大降水。2號(hào)水文站1961-1966年、1979-1993年的21年中，共發(fā)生102次較大降水。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

統(tǒng)計(jì)兩站平均每年暴雨發(fā)生的次數(shù)，1號(hào)水文站4.95次/年，2號(hào)水文站4.86次/年，兩站每年暴雨發(fā)生次數(shù)比較接近。在一定的范圍內(nèi)，暴雨發(fā)生次數(shù)隨流域下墊面高程增加而逐漸增多。

1.2.2 暴雨量小、歷時(shí)短，局部性強(qiáng)

根據(jù)資料可以看到，流域降水相對(duì)較小，兩個(gè)水文站觀測(cè)到的最大次降水量也不大，降水持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短。從幾次大暴雨的降雨過(guò)程中可以推斷，暴雨中心范圍小，局部區(qū)域強(qiáng)，從而導(dǎo)致洪水災(zāi)害。

2 洪水類型、成因及特征分析

該地區(qū)洪水主要來(lái)自盆地上游的融冰融雪洪水和中低山的暴雨洪水。根據(jù)洪水的特征、成因和發(fā)生時(shí)間，流域洪水可分為3種類型：冰雪融化型、暴雨降水型和混合洪水型。以烏爾達(dá)克孜河附近的2號(hào)水文站為參考站，對(duì)各種洪水的洪水類型、成因及特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 冰雪融水型洪水

烏爾都克賽河冰雪融化洪水主要是由于中高山冰雪融化造成，一般發(fā)生在春季和夏季。它比其他洪水發(fā)生得早，洪峰流量較小，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。這種洪水的發(fā)生時(shí)間早晚、大小與氣溫上升速度和高溫天氣持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)，洪水總量大小取決于前期氣溫回升快慢和高溫天氣持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短情況，同時(shí)洪水受氣溫影響，歷時(shí)較長(zhǎng)。圖1是2號(hào)水文站1980年5月8-14日的冰雪融水過(guò)程。

由圖1可得到此類洪水特征如下：①洪水過(guò)程具有明顯規(guī)律的日變化周期；②洪水漲落緩慢，洪峰形狀呈現(xiàn)“矮胖狀”。

2.2 暴雨降水型洪水

在中低山麓丘陵地區(qū)，暴雨和洪水較為常見(jiàn)，洪水的發(fā)生時(shí)間與暴雨的發(fā)生時(shí)間相吻合。洪水的大小和強(qiáng)度取決于暴雨的大小和強(qiáng)度。根據(jù)環(huán)流情況和天氣系統(tǒng)的不同，可以將暴雨洪水分為兩類。

第一類暴雨洪水是當(dāng)一個(gè)大的天氣系統(tǒng)與西風(fēng)環(huán)流穿過(guò)時(shí)，前面的區(qū)域是活躍的，低槽或低渦系統(tǒng)深，移動(dòng)速度慢，還有一個(gè)阻塞高壓在東方，有一個(gè)低東風(fēng)氣流輸送水汽，導(dǎo)致大范圍的降水在山區(qū)，持續(xù)好幾天，通常形成一個(gè)大的洪水。

另一類暴雨洪水是由局部環(huán)流形成的強(qiáng)對(duì)流天氣引起的。這種暴雨多發(fā)生在夏季的午后、傍晚或夜間。暴雨分布范圍小，暴雨強(qiáng)度強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間短，多發(fā)生在低山麓。此外，暴雨中心區(qū)域下墊面植被覆蓋度低，地面坡度大，溝壑縱橫，各河道溝槽出水口靠近集水區(qū)，暴雨洪水發(fā)生前河道水量較小，且水勢(shì)較平穩(wěn)。這種洪水的特點(diǎn)是匯流迅速、力量?jī)疵?、起落陡峭、洪水曲線呈三角峰形、峰高小、持續(xù)時(shí)間短。這種洪水一般對(duì)水庫(kù)的安全影響不大，但能夠帶來(lái)大量泥沙，使得水庫(kù)大量淤積，對(duì)交通道路、橋涵、渠首、渠道等引水建筑物具有較大的破壞力。圖2為2號(hào)水文站1984年7月的一場(chǎng)暴雨洪水過(guò)程線圖。

由圖2可得到此類洪水特征如下：①暴雨洪水多陡漲陡落，峰形呈尖瘦狀；②暴雨洪水洪峰大小和過(guò)程長(zhǎng)短與暴雨強(qiáng)度大小、降水時(shí)長(zhǎng)有關(guān)。

圖2 2號(hào)水文站1984年7月的一次暴雨洪水過(guò)程線

暴雨常發(fā)生地區(qū)植被稀少，受到暴雨的侵蝕，水流攜帶大量的沙子，鹽分高，有時(shí)會(huì)在局部地區(qū)造成泥石流，甚至引發(fā)大規(guī)模滑坡。

2.3 混合洪水

混合洪水是指前兩種洪水疊加而成的洪水。由于疊加效應(yīng)，這種洪水的洪峰流量和總洪量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于融雪型洪水和暴雨型洪水。由于混合洪水的組成不同，它具有前兩種洪水的特點(diǎn)，洪峰流量和洪水總量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)前兩種單一洪水的特征。圖3為2號(hào)水文站1981年7月24-26日混合型洪水過(guò)程線。

圖3 2號(hào)水文站1981年7月24～26日混合洪水過(guò)程線

以上3種類型洪水大多發(fā)生于每年的6-8月份。通過(guò)對(duì)2號(hào)水文站夏洪頻次分析發(fā)現(xiàn)，烏爾達(dá)克賽河年最大洪水發(fā)生在7月份的頻次最高，達(dá)到57.1%；其次是8月份，為23.8%；最少的是5月份，僅為4.8%。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 2號(hào)水文站夏洪頻次分析

3 結(jié) 語(yǔ)

暴雨洪水一直以來(lái)對(duì)于地區(qū)的危害是巨大的，不管是對(duì)經(jīng)濟(jì)還是對(duì)居民生活都產(chǎn)生著不可估量的影響。本文以新疆地區(qū)為研究區(qū)域，針對(duì)新疆地區(qū)的暴雨洪水情況進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)新疆研究區(qū)暴雨特點(diǎn)、暴雨成因、洪水特點(diǎn)以及洪水成因等方面的詳細(xì)分析，為今后暴雨洪水分析與預(yù)報(bào)、防汛減災(zāi)等方面，積累豐富的經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)的決策依據(jù)，也為相關(guān)水利工程建設(shè)水文計(jì)算分析提供參考依據(jù)。