鐵勒克厄肯河暴雨洪水類型特征及調(diào)查成果合理性探析

王振梁

(新疆阿克蘇水文勘測(cè)局，新疆 阿克蘇 843000)

1 鐵勒克厄肯河流域水文站網(wǎng)布設(shè)及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

鐵勒克厄肯河上沒(méi)有任何水文監(jiān)測(cè)資料，鐵勒克厄肯河作為卡普斯浪河卡木魯克水文站上游支流，為了滿足本次分析計(jì)算所需，現(xiàn)選擇自然地理概況相似，氣候條件相近河流卡普斯浪河卡木魯克水文站為參證站，其資料系列截止2018年。

卡木魯克水文站設(shè)立于1956年10月，該站位于新疆維吾爾自治區(qū)拜城縣團(tuán)結(jié)鄉(xiāng)卡木魯克村，是卡普斯浪河水量、水質(zhì)控制站，地理位置：東經(jīng)81°34′，北緯41°51′，測(cè)站以上集水面積1 834 km2，控制河段以上河長(zhǎng)65 km，水文站以下27 km，河流與木扎提河匯合，河流全長(zhǎng)92 km。該站主要觀測(cè)項(xiàng)目有：水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)、氣溫、水溫、水質(zhì)等,測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目均按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范執(zhí)行。水文資料完整，系列長(zhǎng)，資料具有一定的代表性，并且水文資料嚴(yán)格執(zhí)行《水文測(cè)驗(yàn)試行規(guī)范》及部頒《水文年鑒編印規(guī)范》(SL-460-2009)，技術(shù)方法正確，基礎(chǔ)資料可靠(見表1)。

表1 卡木魯克站資料概況一覽表

2 鐵勒克厄肯河暴雨洪水類型及時(shí)空分布特征

鐵勒克厄肯河是卡普斯浪河的支流，是一條季節(jié)性河流，整個(gè)流域位于拜城盆地老虎臺(tái)洼地北部，地勢(shì)北高南低, 西高東低，洪水調(diào)查斷面位于拜城縣鐵熱克鎮(zhèn)鐵熱克村，斷面左岸是鉛絲石籠人工護(hù)岸。右岸是巖石山脈，河床由砂礫石組成的。

流域內(nèi)巖礫裸露，無(wú)植被。鐵勒克厄肯河每年7月初至8月中旬逢大暴雨時(shí)，必成暴雨洪水，洪水匯集后匯入卡普斯浪河。鐵勒克厄肯河是一條山溪性河流，該河主要以暴雨洪水、地下水為補(bǔ)給源,季節(jié)積雪在夏季6-8月中消融補(bǔ)給河流。洪水類型為暴雨型、融雪型、融雪和暴雨混合型。

2.1 暴雨洪水類型特征

2.1.1 暴雨洪水

鐵勒克厄肯河作為卡普斯浪河的支流，位于天山山區(qū)暴雨帶的中心位置，新疆的暴雨路徑角度進(jìn)行分析，不管暴雨從天山弧形路徑或者天山東移路徑來(lái)看，都必然要經(jīng)過(guò)這個(gè)流域，而卡木斯浪河則位于這個(gè)移動(dòng)路徑的迎風(fēng)面，正因?yàn)槿绱耍辛饔蚪?jīng)常有大暴雨發(fā)生，進(jìn)而引起洪水。該流域的暴雨洪水具有突發(fā)性較強(qiáng)、陡漲陡落和峰高量小的特點(diǎn)，暴雨洪水歷時(shí)較短，沒(méi)有明顯日變化。暴雨洪水歷時(shí)最長(zhǎng)可達(dá)約72 h左右，最短大約持續(xù)約10 h左右，一般大多數(shù)情況下持續(xù)時(shí)間在24 h左右，洪水過(guò)程的變化特點(diǎn)則呈近似尖瘦的等腰三角形形態(tài)，且不同時(shí)刻的洪水洪量差異懸殊?？爵斂苏镜湫捅┯旰樗^(guò)程見圖1。

圖1 卡木魯克站1982年暴雨洪水過(guò)程線

2.1.2 冰雪消融洪水

由于卡普斯浪河位于天山南坡，徑流形成區(qū)的平均海拔高程較低，大規(guī)模冰川、積雪發(fā)育條件不充分，所以消融洪水的規(guī)模不是很大，峰值最大不會(huì)超過(guò)350 m3/s。主要為季節(jié)性冰雪消融洪水，洪水變化過(guò)程呈現(xiàn)出明顯的日變化特點(diǎn)，與溫度上升變化規(guī)律比較一致。冰雪消融洪水具有起漲平緩、峰值不高和洪量較大的特點(diǎn)。洪水變化過(guò)程屬于復(fù)峰型，峰值區(qū)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、呈現(xiàn)出“一日一峰一谷”的明顯特征。圖2所示即為較典型的消融洪水過(guò)程。

圖2 卡木魯克站1961年消融洪水過(guò)程線

2.1.3 混合型洪水

暴雨洪水和冰雪消融洪水兩類洪水過(guò)程疊加形成稱之為混合洪水。根據(jù)疊加的方式不同，又分為兩種情況：(1)暴雨洪水與冰雪消融洪水漲峰過(guò)程疊加；(2)暴雨洪水與冰雪消融洪水落水過(guò)程疊加。混合型洪水一般大多發(fā)生在有冰川和永久性積雪來(lái)源的河流上，鐵勒克厄肯河流域一般大多發(fā)生在每年的6-8月。其洪水特征呈現(xiàn)出明顯的日變化特點(diǎn)，洪水發(fā)生前，會(huì)有數(shù)日高溫天氣，導(dǎo)致出現(xiàn)冰雪消融洪水，如果再加之后期突遇降水天氣，兩者疊加最終形成較大洪峰?；旌闲秃樗哂衅饾q速度快、洪峰高、流速急、洪量大的基本特點(diǎn)，一般持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)附帶產(chǎn)生很多漂浮物，圖3所示即為較典型的混合型洪水。

圖3 卡木魯克站1999年混合型洪水過(guò)程線

2.2 洪水時(shí)空分布

卡木斯浪河流域的洪水比較集中，主要岀現(xiàn)在5-9月份，從1957-2018年洪水資料看，年最大洪峰流量90%以上出現(xiàn)在6-8月，7月份出現(xiàn)的頻次最多，可占到50%,其次是8月份，占到27.42%。卡木魯克水文站年最大洪水各月出現(xiàn)頻次見表2。

表2 年最大洪水各月出現(xiàn)頻次

從洪水發(fā)生區(qū)域分析，洪水主要發(fā)生在中低山區(qū)。高山區(qū)地形陡峻，因地勢(shì)高，發(fā)生融雪洪水。中低山區(qū)是暴雨多發(fā)區(qū)，該區(qū)山體破碎，地表覆蓋有大量松 散沉積物，植被稀少，一遇暴雨，便有洪水發(fā)生，還可能發(fā)生暴雨泥石流。

3 洪水調(diào)查及計(jì)算方法

3.1 歷史洪水調(diào)查過(guò)程分析

3.1.1 調(diào)查組織及實(shí)施情況

2019年12月7日，阿克蘇水文局分別組織技術(shù)人員對(duì)鐵勒克厄肯河歷史洪水進(jìn)行調(diào)查。本次洪水調(diào)查分別對(duì)鐵熱克鎮(zhèn)鐵熱克村村民做了洪水調(diào)查情況訪問(wèn)。洪水調(diào)查訪問(wèn)及河段情況見圖4。

(a)斷面左岸 (b)斷面右岸

3.1.2 調(diào)查訪問(wèn)情況

調(diào)查采用現(xiàn)場(chǎng)描述及查看洪水情況進(jìn)行訪問(wèn)了解，知情人對(duì)這次洪水的情況描述見表3。

表3 2019年洪水調(diào)查訪問(wèn)

3.1.3 洪水調(diào)查位置及斷面概況

鐵勒克厄肯河調(diào)查點(diǎn)位于拜城縣鐵熱克鎮(zhèn)鐵熱克村,地理位置位于東經(jīng)81°31′22.59″，北緯41°59′26.98″。洪水調(diào)查小組在鐵熱克鎮(zhèn)鐵熱克村鐵勒克厄肯河段選取較順直的斷面進(jìn)行洪水調(diào)查，調(diào)查組全程跟隨熟悉情況的當(dāng)?shù)卮迕瘢屑?xì)辨認(rèn)了當(dāng)?shù)氐暮樗圹E，對(duì)歷史洪水發(fā)生時(shí)調(diào)查點(diǎn)的雨情、水情進(jìn)行訪問(wèn)和詳細(xì)調(diào)查，并對(duì)三處調(diào)查斷面進(jìn)行了測(cè)量。最終選擇在橫比降較小、河道順直的河段，大斷面測(cè)量取上、中、下三個(gè)斷面。采用假定基面，采用四等水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行了準(zhǔn)確測(cè)量。洪水調(diào)查斷面大斷面圖見圖5～圖7。

圖5 鐵勒克厄肯河上斷面圖

圖6 鐵勒克厄肯河中斷面圖

圖7 鐵勒克厄肯河下斷面圖

3.1.4 造率的選用

糙率n是反映河道邊界和水流對(duì)阻力影響的綜合參數(shù)，影響n值的因素很多，確定n值主要依靠經(jīng)驗(yàn)的積累和實(shí)驗(yàn)。實(shí)際工程計(jì)算中，正確選擇n值對(duì)進(jìn)行可靠的設(shè)計(jì)計(jì)算十分重要。

近年來(lái)水文分析計(jì)算中糙率系數(shù)多采用三斷面約束條件下的糙率試算來(lái)確定糙率n值，本次洪水計(jì)算采用三斷面約束條件下的糙率試算來(lái)確定糙率n值。

在調(diào)查河段利用曼寧公式分別計(jì)算三個(gè)斷面的洪峰流量，糙率通過(guò)洪水調(diào)查時(shí)假定流量推算及根據(jù)調(diào)查河段河床情況估算，曼寧公式如下：

(1)

式中：Q為洪峰流量(m3/s)；n為糙率；R為水力半徑(m)；S為水面比降(10-4)；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e(m2)。

根據(jù)調(diào)查河段河床情況，河段順直，河床主要由卵石組成，河槽兩岸植被情況較好，大部分水力要素由實(shí)地勘測(cè)成果確定，為了減少糙率(n)選擇的任意性，利用上、中、下三斷面水文要素推求各斷面河床糙率的關(guān)系式。為滿足關(guān)系式的要求，在野外調(diào)查時(shí)盡可能在調(diào)查河段上選擇3處以上的橫斷面進(jìn)行大斷面測(cè)量，以此來(lái)增加糙率選擇的約束條件。

各調(diào)查河段自上游向下游布設(shè)A、B、C三個(gè)調(diào)查斷面，推求各斷面河床糙率的關(guān)系式如下：

(2)

(3)

式中：nA、nB、nC分別為A、B、C斷面河床糙率；iAB、iBC、iAC分別為各斷面間水面比降；RA、RB、RC分別為各斷面水力半徑(m)；FA、FB、FC分別為各斷面面積(m2)。

對(duì)任意給定斷面糙率nA，可由式(2)、(3)確定B、C斷面河床糙率。通過(guò)試算使任意兩斷面為控制計(jì)算的河段洪峰流量近似相等，即QAB≈QBC≈QAC，相應(yīng)的一組糙率值經(jīng)分析基本合理，即為所求，該組糙率值所確定的洪峰流量。

3.2 本次洪水調(diào)查計(jì)算方法

調(diào)查河段洪峰流量采用三斷面約束法計(jì)算，此法要求調(diào)查斷面順直，河段內(nèi)各斷面的組成基本一致，河段內(nèi)有多處洪痕點(diǎn)，且分布均勻。計(jì)算公式(4)～(6)如下：最終計(jì)算成果詳見表4和表5所示。

表4 鐵勒克厄肯河洪水調(diào)查計(jì)算成果表

(4)

(5)

(6)

式中：QA、QB、QC分別為洪痕上、中、下斷面歷史洪水洪峰流量；AA、AB、AC分別為洪痕上、中、下斷面有效過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；RA、RB、RC分別為洪痕上、中、下斷水力半徑；nA、nB、nC分別為洪痕上、中、下斷河床糙率；IA、IB、IC分別為洪痕上、中、下斷水面比降；

4 洪水調(diào)查成果合理性分析

(1)通過(guò)對(duì)河流沿線歷史洪水發(fā)生情況進(jìn)行訪問(wèn)調(diào)查，選擇在鐵勒克厄肯河調(diào)查河段的上下游分別布設(shè)了上、中、下調(diào)查斷面。

(2)為保證洪水調(diào)查成果的真實(shí)性、合理性和準(zhǔn)確性，在調(diào)查斷面的上下游布設(shè)了3～4個(gè)洪痕位置，以利于對(duì)調(diào)查河段的洪水水面比降進(jìn)行計(jì)算確定。同時(shí)，也對(duì)調(diào)查河段上下斷面河道中的水面比降進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量，最后對(duì)計(jì)算值和測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，可以發(fā)現(xiàn)其基本一致。

(3)在采用曼寧公式法進(jìn)行洪水流量的計(jì)算過(guò)程中，糙率的選用對(duì)計(jì)算成果影響很大。糙率屬于一個(gè)綜合指數(shù)，受河床質(zhì)的組成、岸坡、斷面形狀、水流形態(tài)等諸多因素的影響。在計(jì)算時(shí)，要綜合利用上、下兩斷面各個(gè)水文要素，對(duì)各個(gè)斷面的糙率進(jìn)行試算推求，同時(shí)要嚴(yán)格糙率選用的約束條件，保證糙率的選用成果達(dá)到合理的水平。

(4)通過(guò)對(duì)洪水調(diào)查成果的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析可知，斷面選擇合理，調(diào)查數(shù)據(jù)采用水文四等測(cè)量，測(cè)量成果較可靠，選用的糙率、水面比降等基礎(chǔ)參數(shù)基本合理，將此次洪水調(diào)查資料確定為較可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，洪水類型為暴雨型、融雪型、融雪和暴雨混合型。由于鐵勒克厄肯河無(wú)實(shí)測(cè)水文資料,在進(jìn)行分析過(guò)程中，選擇自然地理概況相似，氣候條件相近的卡普斯浪河上的卡木魯克水文站為參證站來(lái)進(jìn)行洪水特征分析和調(diào)查比較合理，也符合相關(guān)規(guī)范要求，洪水調(diào)查資料及成果比較可靠，基本掌握了鐵勒克厄肯河洪水發(fā)生的一般規(guī)律。