庫爾勒市山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)分析

王 磊

（新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞水文勘測局，新疆 庫爾勒 841000）

為了提高庫爾勒市山洪災(zāi)害防御能力，為市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村級的山洪災(zāi)害預(yù)案編制、轉(zhuǎn)移路線確定、臨時安置、防災(zāi)意識普及、群測群防等工作提供科學(xué)、全面、詳細的信息支撐，本次以園藝場（牧區(qū)）、蓮花社區(qū)（村莊）所在小流域為典型實例，對庫爾勒市山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)確定進行分析。

1 概況

庫爾勒市位于天山支脈霍拉山南麓、塔里木盆地東北邊緣，是巴音郭楞蒙古自治州的首府和政治、文化、經(jīng)濟中心，總?cè)丝?7 萬人[1]。庫爾勒市東部、北部以鐵門關(guān)峽谷為分界線，西北為霍拉山，東部為庫魯克山的天山支脈山系，山體總的地勢西高東低。庫爾勒市屬暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候，夏季炎熱少雨、冬季寒冷少雪，晝夜溫差大，多年平均年蒸發(fā)量為2 772.8 mm，多年平均年降水量為62.7 mm[2]。

2 山洪災(zāi)害分布區(qū)域與特點

2.1 山洪災(zāi)害分布區(qū)域

庫爾勒市山洪災(zāi)害主要由暴雨洪水形成，涉及人口密集的北山區(qū)、開發(fā)區(qū)、塔什店區(qū)，總面積約1 900 km2。其中，北山區(qū)位于霍拉山低山區(qū)，海拔1 100～1 600 m，侵蝕、沖刷、崩塌等物理地質(zhì)現(xiàn)象較多，洪水挾帶砂石數(shù)量很大；開發(fā)區(qū)坐落在砂礫石戈壁灘上，地勢由東北向西南傾斜，洪水主要來源于東山，海拔一般為1 200～1 400 m；塔什店區(qū)屬焉耆盆地區(qū)，山巖風(fēng)化嚴(yán)重，巖石裸露，多裂隙，少植被，遇暴雨易發(fā)生山洪災(zāi)害。

庫爾勒市山洪災(zāi)害易發(fā)點主要集中在454 個小流域，最大最長匯流路徑30 402 m，最長河段23 km。

2.2 山洪災(zāi)害特點

庫爾勒市暴雨洪水主要是春季的融雪型洪水（4—6月，部分小河溝發(fā)生在3—4月）和夏季的暴雨型洪水（6—8月暴雨季節(jié)）[3]，主要有以下特點。

（1）突發(fā)性強，預(yù)報、預(yù)測、預(yù)防難度大。由于主要受突發(fā)水流（洪水）的影響，再加上狹窄的溝谷地形，洪水形成往往十分突然、迅猛強烈，具有流動速度快、歷時短的特點，有時從發(fā)生到結(jié)束僅0.5 h 左右，瞬間流速可達20 m∕s。這種突發(fā)性，不僅加重了災(zāi)情，而且難以進行準(zhǔn)確的預(yù)報和有效的防范。

（2）來勢猛，成災(zāi)快，破壞性強。洪水對工礦、交通設(shè)施、居民危害很大，容易造成民眾生命財產(chǎn)損失。

（3）區(qū)域性明顯，季節(jié)性強，頻率高。山洪具有明顯的區(qū)域性，主要集中在山前一帶；降水較多的年份，山洪發(fā)生頻次也明顯偏高；每年的雨季為山洪多發(fā)期，庫爾勒市近幾次規(guī)模較大的山洪均集中發(fā)生在多雨年份的降雨高峰期5—8 月，具體發(fā)生時間大多數(shù)與降雨同步或短期滯后。

（4）水毀工程恢復(fù)難度大。山洪災(zāi)害往往對水利、交通、礦業(yè)、電力、通信、農(nóng)田等基礎(chǔ)設(shè)施造成毀滅性的破壞，數(shù)十年的建設(shè)成果被毀于一旦，山洪毀壞的農(nóng)田等基礎(chǔ)設(shè)施幾年甚至十幾年難以恢復(fù)，這給災(zāi)后重建家園、恢復(fù)生產(chǎn)和群眾的生活帶來了很大的困難。

3 山洪災(zāi)害成災(zāi)流量分析

3.1 水位流量關(guān)系

獲取山洪災(zāi)害防災(zāi)對象所在控制斷面的水位流量關(guān)系曲線是確定暴雨預(yù)警指標(biāo)的關(guān)鍵[4]。在庫爾勒市的山洪災(zāi)害分析評價中，按以下方式獲得水位流量關(guān)系曲線。

（1）比降確定。經(jīng)調(diào)查，園藝場和蓮花社區(qū)沒有用歷史洪痕信息計算分析水面比降的實例，因此，計算比降時，有水面的溝道采用水面比降，沒有水面的溝道采用河床比降作為水位流量轉(zhuǎn)換中的坡降，由此確定園藝場比降為0.016 08、蓮花社區(qū)比降為0.046 8。

（2）糙率確定。經(jīng)調(diào)查，無法采用實測水文資料反推糙率，主要根據(jù)天然或人工河道典型類型和特征情況下的糙率以及歷史洪水資料中的糙率值計算水位流量轉(zhuǎn)換中的糙率，由此確定園藝場糙率為0.028、蓮花社區(qū)糙率為0.03。

（3）漫灘、漫堤水位線的處理。采用曼寧公式計算水位流量關(guān)系時，在河漫灘或堤防的位置，當(dāng)河水漫灘或漫堤時，過流面積增加不大，而濕周急劇增大，水力半徑將出現(xiàn)減小的情況。為了避免漫灘漫堤時水位流量關(guān)系曲線出現(xiàn)錯誤，計算漫灘漫堤流量時，在漫灘漫堤處將斷面分開，然后分別計算主河槽流量及漫灘、漫堤流量，再將各個流量計算結(jié)果相加，得到總流量。其計算公式為：

式中：A為過流面積（m2）；R為水力半徑（m）；J為河道坡降；n為河道糙率；Q為流量（m3∕s）；v為流速（m∕s）。

3.2 水位流量關(guān)系曲線

應(yīng)用曼寧公式計算園藝場、蓮花社區(qū)控制斷面水位流量關(guān)系曲線。根據(jù)已經(jīng)確定的比降和糙率等參數(shù)，將歷史最高洪水位推求至該斷面中，園藝場、蓮花社區(qū)控制斷面歷史最高水位分別為894.65、1 007.54 m。園藝場、蓮花社區(qū)斷面水位流量關(guān)系曲線，分別如圖1—2所示。

圖1 園藝場水位流量關(guān)系曲線

圖2 蓮花社區(qū)水位流量關(guān)系曲線

3.3 水位流量人口關(guān)系

由于園藝場、蓮花社區(qū)住戶較分散且離控制斷面不遠，在將居民住房位置及高程測量成果轉(zhuǎn)化為控制斷面的水位人口關(guān)系時，簡化了河道比降以及居民住房位置與沿河控制斷面距離2 個要素，將未在控制斷面線上的居民住房高程近似作為控制斷面線上的高程。典型小流域中分析評價對象水位流量人口關(guān)系，詳見表1。

表1 典型小流域中分析評價對象水位流量人口關(guān)系

3.4 臨界流量

臨界流量即洪水到達成災(zāi)水位時對應(yīng)的洪峰流量，是計算預(yù)警指標(biāo)的關(guān)鍵因素。在實測控制斷面的基礎(chǔ)上，采用曼寧公式計算成災(zāi)水位下的洪峰流量即為臨界流量。小于5 a 一遇的山洪對2 處村莊（社區(qū)）均沒有威脅。園藝場、蓮花社區(qū)臨界流量和發(fā)生頻率，詳見表2。

表2 臨界流量及對應(yīng)發(fā)生頻率成果

4 預(yù)警指標(biāo)分析

4.1 預(yù)警時段確定

預(yù)警時段指雨量預(yù)警指標(biāo)中采用的典型降雨歷時，受評價對象所在小流域集雨面積大小、降雨強度、流域形狀及其地形地貌、植被、土壤含水量等因素的影響，需要合理地確定。在庫爾勒市分析評價中，預(yù)警時段確定原則和方法如下。

4.1.1 最長時段確定

將評價對象所在小流域匯流時間作為沿河村落預(yù)警指標(biāo)的最長時段，對于匯流時間較短的（如1 h）增加1～2個時段。

4.1.2 典型時段確定

根據(jù)園藝場、蓮花社區(qū)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，確定比匯流時間小的短歷時典型預(yù)警時段，一般選取2～3個典型預(yù)警時段，最小預(yù)警時段選為1 h。

4.1.3 綜合確定

根據(jù)流域暴雨、下墊面特性和歷史山洪情況調(diào)查，園藝場所在小流域的匯流時間為2 h，蓮花社區(qū)所在小流域匯流時間為3 h。庫爾勒市處于北方干旱地區(qū)，降雨多為短歷時強降雨，超滲產(chǎn)流特性突出，結(jié)合其下墊面的特性和流域單位線性，綜合確定園藝場、蓮花社區(qū)典型預(yù)警時段均為1、2 和3 h 3 個時段。

4.2 雨量指標(biāo)計算

4.2.1 設(shè)計暴雨

降雨是山洪災(zāi)害形成的主要因素[5]。庫爾勒市在新疆年最大1 h點雨量均值等值線圖中有5 mm的等值線穿過，年最大6 h 點雨量均值等值線圖中有15 mm 的等值線穿過，年最大24 h 點雨量均值等值線圖中有10 mm 的等值線穿過。根據(jù)《新疆暴雨圖集》獲取庫爾勒市設(shè)計暴雨參數(shù)（均值、變差系數(shù)、離差系數(shù)等），然后計算標(biāo)準(zhǔn)歷時（1、6、24 h）的點暴雨量，通過比較得出水文站多年實測的同場10 min 暴雨量與1 h 暴雨量的比例關(guān)系，應(yīng)用暴雨圖集中1 h點暴雨量推求出10 min 點暴雨量，進而查算點面折減系數(shù)，將標(biāo)準(zhǔn)歷時下的點暴雨量轉(zhuǎn)化為面暴雨量，進而進行10 min～1 h、1～6 h和6～24 h的暴雨遞減指數(shù)計算，然后根據(jù)以上暴雨參數(shù)計算匯流時間下的降雨時程分配。其中，點面折減系數(shù)和暴雨時程分配均采用《新疆暴雨圖集》中數(shù)據(jù)。

設(shè)計流域的可能最大1、6 和24 h 點雨量參數(shù)Hˉ、Cv從設(shè)計流域的幾何中心圖中查得，年最大10 min點雨量均值根據(jù)各水文站10 min 與1 h 點雨量均值之間的比例關(guān)系取1 h 降雨量的0.45 倍，然后查P-Ⅲ型頻率表插值求出頻率為1%、2%、5%、10%和20%對應(yīng)的洪峰模比系數(shù)值，再乘相應(yīng)的均值得到各頻率的設(shè)計點雨量，結(jié)果詳見表3。

表3 典型小流域設(shè)計暴雨計算成果

4.2.2 臨界雨量

臨界雨量計算是一個不斷試算的過程。首先，確定臨界流量和計算流量的閾值（一般取0.1）；其次，假定一個初始降雨量，并按照雨量及雨型分析得到相應(yīng)的降雨過程系列作為最初的輸入，計算洪峰流量；再次，比較計算所得的洪峰流量與臨界流量，若二者接近且差值小于0.1 則該雨量即為該時段的臨界雨量，若二者差異較大則需重新設(shè)定初始雨量，反復(fù)進行試算，直至計算所得的洪峰流量與評價對象的預(yù)警流量差值小于預(yù)定的允許值為止。

預(yù)警分為準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移預(yù)警和立即轉(zhuǎn)移預(yù)警，故還需計算準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移雨量，結(jié)合評價對象所處的位置及周邊環(huán)境等，規(guī)定準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移時間為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。準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移流量的確定與計算立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)時相應(yīng)的洪水過程密切相關(guān)，既不能簡單地采用最長降雨歷時的洪水過程線進行分析，也不能采用最短降雨歷時的洪水過程線進行分析。從最大限度地保護人民群眾生命財產(chǎn)安全的角度考慮并使計算性能穩(wěn)定，這里取根據(jù)各預(yù)警時段的洪水過程線計算出的準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移流量的最小值。確定好準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移流量后，準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)計算的步驟和流程與計算立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)的方法類似。園藝場和蓮花社區(qū)臨界雨量計算成果，詳見表4。

表4 預(yù)警指標(biāo)

4.3 綜合預(yù)警指標(biāo)確定

流域土壤含水量對流域產(chǎn)流有重要影響，是雨量預(yù)警的重要基礎(chǔ)信息。庫爾勒市地處北方干旱地區(qū)，產(chǎn)流方式主要以超滲產(chǎn)流為主，土壤含水量取值詳見表4。

綜合考慮園藝場、蓮花社區(qū)所處河段河谷形態(tài)、洪水上漲速率、預(yù)警響應(yīng)時間和站點位置等因素，在臨界雨量的基礎(chǔ)上綜合確定準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移和立即轉(zhuǎn)移的預(yù)警指標(biāo)；并利用該預(yù)警指標(biāo)進行暴雨洪水復(fù)核校正，以避免與成災(zāi)水位及相應(yīng)的暴雨洪水頻率差異過大。

通常情況下，由于臨界雨量是從成災(zāi)水位對應(yīng)流量的洪水推算得到，所以在數(shù)值上認(rèn)為臨界雨量即立即轉(zhuǎn)移指標(biāo)，而準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移指標(biāo)是在臨界雨量基礎(chǔ)上根據(jù)準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移時間及洪水過程線綜合進行“折減”處理確定。園藝場和蓮花社區(qū)預(yù)警指標(biāo)詳見表4，預(yù)警指標(biāo)綜合成果如圖3—6所示。

圖3 園藝場土壤濕潤（0.8 wm）情況預(yù)警雨量

圖4 園藝場土壤干旱（0.2 wm）情況預(yù)警雨量

圖5 蓮花社區(qū)土壤濕潤（0.8 wm）情況預(yù)警雨量

圖6 蓮花社區(qū)土壤干旱（0.2 wm）情況預(yù)警雨量

5 結(jié)語

山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)受前期土壤含水量、暴雨量、預(yù)警時段、防御能力和轉(zhuǎn)移時效等因素影響較大，本文以庫爾勒市園藝村和蓮花社區(qū)為例，根據(jù)水位流量人口關(guān)系推算出山洪災(zāi)害成災(zāi)水位流量，進而推求出當(dāng)?shù)厣胶闉?zāi)害預(yù)警雨量指標(biāo)，為庫爾勒市山洪災(zāi)害防御提供了科學(xué)依據(jù)。