昌吉市三工灘前山區(qū)洪水特征及水文資料“三性”分析

李 軍

(新疆昌吉水文勘測(cè)局,新疆 昌吉 831100)

1 概述

三工灘前山區(qū)位于昌吉市三工鎮(zhèn)南部山前沖洪積扇上,介于頭屯河與三屯河兩流域之間的低山區(qū)出山口以下的前山丘陵區(qū),東與頭屯河相鄰,西以三屯河為界。流域最高海拔1 480 m,東西長(zhǎng)約15 km,南北寬約10 km,地勢(shì)南高北低,坡面寬廣、坡降大,總的趨勢(shì)是中間高兩邊低。坡面多為漫灘,坡面干溝形成的大多是寬淺式河道,植被覆蓋度低,主要以蒿類和狐茅草為主。土壤類型主要是沖積—洪積物上發(fā)育形成的灰漠土,并有鹽堿化現(xiàn)象。下游是三工鎮(zhèn)和昌吉市城區(qū),受春末夏初強(qiáng)對(duì)流天氣形成的局地融雪和暴雨洪水影響,上游坡面洪水極易對(duì)下游造成威脅。對(duì)三工灘前山區(qū)洪水成因及類型進(jìn)行研究,對(duì)區(qū)域暴雨洪水預(yù)警及保護(hù)下游城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施、群眾生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

2 研究區(qū)水文站概況

研究區(qū)由10余條無名干溝組成,均為季節(jié)性沖溝,自南向北流經(jīng)三工灘,除春季產(chǎn)生融雪性洪水和夏季暴雨形成的洪水外,其余大部分時(shí)間河溝干涸。這10余條無名干溝均發(fā)源于天山北麓的頭屯河流域至三屯河流域之間、昌吉市以南低山地帶,源頭無終年冰川和積雪。三工灘沒有設(shè)立過水文站點(diǎn)。研究區(qū)內(nèi)最能反映流域氣象水文條件的現(xiàn)有水文站為三屯河流域碾盤莊水文站。碾盤莊水文站是國(guó)家基本水文站,于1956年7月22日設(shè)立,地理坐標(biāo)為東經(jīng)86°57′,北緯43°43′,測(cè)站高程1 100 m,集水面積1 636 km2。觀測(cè)項(xiàng)目包括水位、流量、懸移質(zhì)泥沙、水溫、岸溫、降水、蒸發(fā)、水化學(xué)等。為研究三工灘前山區(qū)洪水特征,針對(duì)水文資料缺乏的問題,選取收集到的三屯河流域碾盤莊水文站的長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)水文資料進(jìn)行整理分析。

3 研究區(qū)洪水成因與類型分析

3.1 洪水成因

三工灘地處前山丘陵地區(qū),南有高大的天山阻擋,各河溝分布在海拔800～1 480 m之間的中低山區(qū),呈南北走向。而西方和西北方向東移的小尺度天氣系統(tǒng)受地形抬升影響,在三工灘迫使氣流產(chǎn)生氣旋性切變,有利于氣流質(zhì)量輻合,使系統(tǒng)發(fā)展加強(qiáng)產(chǎn)生局地性大暴雨,所以三工灘前山區(qū)洪水主要以暴雨洪水和季節(jié)性融雪洪水為主,出現(xiàn)時(shí)間在春季5月和夏季的6-8月間,受暴雨過程影響,洪水過程多漲落劇烈。另外,由于三工灘所處的天山山脈第三紀(jì)泥巖物理風(fēng)化強(qiáng)裂、地形破碎,地面坡度大、組成物質(zhì)疏松、植被條件差,且中新生代地層中含有較多鹽分,所以三工灘暴雨洪水溶解大量的鹽分,使河水含沙量增大、礦化度增高。暴雨山洪會(huì)挾帶大量泥沙及鹽分注入下游河道,對(duì)下游河道中的水利工程與兩岸鄉(xiāng)村、農(nóng)田以及道路交通安全造成較大危害。

3.2 洪水類型

三工灘洪水一般發(fā)生在春季和夏季,春季洪水以積雪消融水為主;夏季洪水主要是暴雨洪水。根據(jù)三工灘不同洪水成因,洪水可分為三種類型:季節(jié)積雪融水型洪水、暴雨型洪水和以上兩種洪水疊加形成的混合型洪水[1]。

3.2.1 季節(jié)性積雪融水型洪水

研究區(qū)冬季穩(wěn)定積雪隨著春季氣溫的回升,在一段時(shí)間內(nèi)消融形成融雪洪水。季節(jié)積雪融水大小與積雪覆蓋的面積和厚度以及氣溫、風(fēng)速等氣象因素密切相關(guān)。

3.2.2 暴雨型洪水

局地暴雨具有歷時(shí)短、降水量集中、強(qiáng)度大、籠罩面積小的特點(diǎn)。這類暴雨可在局部地區(qū),尤其是像天山北坡前山丘陵地區(qū)的中、小河流形成陡漲陡落、峰高量小的局地暴雨洪水。

3.2.3 混合型洪水

混合型洪水是指季節(jié)積雪融水與局地暴雨或大尺度降水形成洪水疊加而成。這類洪水歷時(shí)較長(zhǎng),洪峰高洪量也較大。

4 洪水特征分析

由于該區(qū)域沒有實(shí)測(cè)水文資料,通過對(duì)三屯河碾盤莊站實(shí)測(cè)洪水資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,總結(jié)區(qū)域不同類型洪水特性。

(1)季節(jié)性積雪融水洪水主要特征:洪水大小與前期積雪面積及儲(chǔ)量有密切關(guān)系;出現(xiàn)時(shí)間早,洪水過程與升溫過程關(guān)系密切,并隨氣溫變化具有明顯的日變化過程;洪水漲落變化緩慢持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),洪峰流量小相應(yīng)洪量也不大;春季隨著雪線的上升,融雪洪水每日洪峰出現(xiàn)的時(shí)間逐漸推后[2]。隨著時(shí)間的推移,融雪洪水出現(xiàn)時(shí)間隨雪線的不斷上升而逐漸推后,當(dāng)中、低山帶積雪消融殆盡,區(qū)域積雪消融洪水過程結(jié)束,河流由地下水補(bǔ)給,水量趨于穩(wěn)定。圖1為碾盤莊站1996年5月19日至6月1日一次融雪洪水過程線圖。

圖1 碾盤莊站1996年5月融雪洪水過程線

(2)暴雨洪水的主要特征:暴雨洪水大多由局地暴雨或大尺度持續(xù)降水過程形成;暴雨洪水大多出現(xiàn)在汛期5-8月;暴雨洪水過程線型多尖瘦,陡漲陡落,突發(fā)性強(qiáng);洪峰流量量級(jí)及持續(xù)時(shí)間由暴雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間決定;由于暴雨對(duì)坡面的侵蝕作用,暴雨洪水一般都具有挾沙量大、礦化度高、破壞性大、發(fā)生頻率較高的特點(diǎn)。圖2為碾盤莊站1988年7月15日一次局地性暴雨型洪水過程。

圖2 碾盤莊站1988年7月局地暴雨洪水過程線圖

(3)混合型洪水的主要特征為:兼有季節(jié)性積雪融水及暴雨洪水雙重形態(tài)特征;暴雨洪水疊加在融雪洪水之上,因此,洪峰流量一般比單純的融雪洪水與暴雨洪水更大,極具危害性;由于融雪期間地表濕潤(rùn)松散,此時(shí)若遭遇強(qiáng)降水,對(duì)坡面的侵蝕作用加強(qiáng),致使含沙量大,同時(shí)大量的鹽份溶解,河水礦化度高;洪峰量級(jí)及持續(xù)時(shí)間是由累積雪量、升溫過程及暴雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間等多種因素決定。圖3為碾盤莊站1996年7月大尺度降水過程形成的混合型洪水過程。

圖3 碾盤莊站1996年7月混合型洪水過程線圖

5 研究區(qū)水文資料“三性”分析

本次研究采用鄰近三屯河流域碾盤莊站和昌吉?dú)庀笳鹃L(zhǎng)系列資料進(jìn)行分析。代表性的分析應(yīng)在可靠性、一致性的基礎(chǔ)上進(jìn)行,所以應(yīng)首先對(duì)資料系列的可靠性和一致性進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上再對(duì)代表性進(jìn)行分析。

5.1 可靠性分析

碾盤莊站為國(guó)家基本站,其洪水資料的測(cè)驗(yàn)、整編及刊印均嚴(yán)格按國(guó)家行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,精度較高,具有較好的可靠性。昌吉?dú)庀笳緸閲?guó)家基本站點(diǎn),資料采集、整編和刊印嚴(yán)格按國(guó)家行業(yè)規(guī)范要求執(zhí)行,資料質(zhì)量可靠。

5.2 一致性分析

對(duì)于洪水系列而言,區(qū)間引水、分水以及測(cè)站斷面遷移,是影響洪峰流量資料系列一致性的兩個(gè)主要因素。碾盤莊站以上不存在區(qū)間引洪、分洪現(xiàn)象,人類活動(dòng)影響相對(duì)較小。碾盤莊站設(shè)立于1956年,但1955-1958年這段資料不完整,且1959-1975年停測(cè)。因此在水文計(jì)算時(shí),只采用了1976-2016年洪水資料,而該站1976年以后斷面上下遷移兩次距離較近,區(qū)間集水面積變化不大,可認(rèn)為遷移前后其洪水形成條件未發(fā)生明顯變化,表明碾盤莊站1976-2016年41年洪水資料系列一致性較好。

昌吉?dú)庀笳?952年建站,降水資料1953年開始觀測(cè)至2009年遷站至新站址,直線距離11.7 km,但仍處于綠洲平原區(qū)。經(jīng)過氣象部門比測(cè)分析,僅對(duì)最低氣溫有一定影響。因此,2009年前后資料合并后的1953-2016年最大一日降水量資料可以認(rèn)為具有一致性。

5.3 代表性分析

5.3.1 不同長(zhǎng)度系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)比分析

采用碾盤莊站洪峰流量實(shí)測(cè)資料,自2016年逆時(shí)序向前、采用矩法計(jì)算其不同長(zhǎng)度系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,見表1。隨著系列長(zhǎng)度的增加,統(tǒng)計(jì)參數(shù)變動(dòng)幅度逐漸減小,當(dāng)系列長(zhǎng)度達(dá)到34 a以上時(shí),其均值相對(duì)偏差的絕對(duì)值小于5%;當(dāng)系列長(zhǎng)度達(dá)到31 a以上時(shí),Cv值相對(duì)偏差絕對(duì)值小于5%。綜上所述,系列長(zhǎng)度達(dá)到34 a時(shí)系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)基本趨于穩(wěn)定。

表1 碾盤莊站不同長(zhǎng)度系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)照表

5.3.2 洪峰流量模比系數(shù)差積曲線分析

點(diǎn)繪碾盤莊站最大洪峰流量與最大一日降水量模比系數(shù)差積曲線和昌吉?dú)庀笳咀畲笠蝗战邓磕１认禂?shù)差積曲線,見圖4。

圖4 參證站洪峰流量與最大一日降水量模比系數(shù)差積曲線圖

從圖4可以看出,碾盤莊站1976-2016年洪水系列中,1976-1986年處在一個(gè)小洪峰流量年群,1987-2016年處在一個(gè)大洪峰流量年群中,期間還包括了幾段中等洪峰流量年群,且過程較為完整。碾盤莊站最大一日降水量在1976-1986年11年間,處在一個(gè)降水量偏少年段;1987-1999年13年間,處在一個(gè)降水豐沛年段;2000-2016年,處在一個(gè)不完整的降水量偏稀少年段。昌吉?dú)庀笳窘涤炅?953-1996年44 a間,處在一個(gè)降水量偏少年段;1997-2005年間,處在一個(gè)降水豐沛年段,2006-2016年間,處在一個(gè)降水量偏少年段。

綜合來看,碾盤莊站1976-2016年洪水系列明顯包含著大、中、小不同量級(jí)洪水信息;碾盤莊站1976-2016年最大一日降水量系列基本包含多水年群和少水年群過程;昌吉?dú)庀笳窘邓?4 a降水量系列包含完整的多水年群和少水年群過程。

5.3.3 洪峰流量模比系數(shù)累積平均曲線分析

點(diǎn)繪碾盤莊站最大洪峰流量與最大一日降水量模比系數(shù)差積曲線和昌吉?dú)庀笳咀畲笠蝗战邓磕１认禂?shù)差積曲線,見圖5。

圖5 參證站洪峰流量與最大一日降水量模比系數(shù)累積平均曲線圖

從圖5碾盤莊站洪峰系列模比系數(shù)累積平均值過程線中可見:洪峰流量模比系數(shù)累積平均值隨著系列長(zhǎng)度的增加逐漸收斂于1,當(dāng)系列長(zhǎng)度增加到28 a以上時(shí),模比系數(shù)累積平均值相對(duì)誤差小于5.0%。說明碾盤莊站實(shí)測(cè)洪峰系列均值已趨于穩(wěn)定。碾盤莊站最大一日降水量系列長(zhǎng)度達(dá)到41 a時(shí),年平均降水量模比系數(shù)累積平均值趨于1,說明碾盤莊站41 a最大一日降水量系列已趨于穩(wěn)定。昌吉?dú)庀笳咀畲笠蝗战邓肯盗心鏁r(shí)序長(zhǎng)度達(dá)到43 a以上時(shí),最大一日降水量模比系數(shù)累積平均值5%以內(nèi)波動(dòng)并逐漸趨于1,說明昌吉?dú)庀笳?4 a最大一日降水量系列較穩(wěn)定。

綜合以上分析,碾盤莊站41 a最大洪峰流量與最大一日降水量系列具有代表性;昌吉?dú)庀笳咀畲笠蝗战邓?4 a系列代表性較好。

6 結(jié)語

通過對(duì)昌吉市三工灘前山區(qū)洪水成因類型、洪水特征及參證站基礎(chǔ)水文資料的可靠性、一致性和代表性進(jìn)行分析,得出三工灘前山區(qū)無水文資料洪峰、降水系列趨勢(shì)穩(wěn)定,對(duì)產(chǎn)生的洪水可提前做出預(yù)報(bào),對(duì)該流域防洪減災(zāi)、洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、避免造成生命財(cái)產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施造成威脅等可提供一定的科學(xué)依據(jù)。