新疆天山北坡中段河流洪水規律探討

龔建新，文 軍

(1.新疆烏魯木齊水文水資源勘測局，新疆 烏魯木齊830000;2.新疆水利水電勘察設計院地質研究所，新疆 烏魯木齊830091)

1 自然地理特征

天山山系綿亙于新疆維吾爾自治區中部，是亞洲最大的山系之一。整個山系大致呈東西走向排列，新疆境內東西總長約1 700 km，南北寬度在100～400 km之間，最高的托木爾峰海拔7 435.3 km。天山是新疆一條重要的自然地理分界線，將天山山脊分水嶺定為南北疆的地理界線，發源于天山的河流，凡南流到塔里木盆地或其南坡山間盆地的流域范圍為天山南坡，其他流域范圍為天山北坡。天山北坡中段西起精河縣，東至木壘縣，沿天山北坡的山區，包括精河、烏蘇、沙灣、石河子、瑪納斯、呼圖壁、昌吉、烏魯木齊、阜康、吉木薩爾、奇臺、木壘等縣市的南山，東西綿延600～700 km。

天山北坡的垂直分帶明顯，3 800 m以上為冰雪帶;3 800～3 000 m為墊狀植被;3 000～2 700 m為高山蒿草草原;1 600～2 700 m為云杉林帶;1 200～1 600 m為山地草甸草原;800～1 200 m由孤茅針茅草原逐漸過渡為半灌木荒漠;800 m以下為梭梭荒漠。

天山北坡中段降水分布有以下特點:山地降水較豐富，1 000～1 500 m年降水量約300 mm，1 500 m以上超過400 mm，最大降水帶在2 500 m上下，約600 mm左右。山前平原年降水量150～220 mm，沙漠邊緣年降水量100 mm以上。天山北坡中段水熱條件的垂直分布情況，多年平均氣溫5.0℃～-5.0℃之間，極端最低氣溫為 -31.8℃～ -33.8℃，≥10℃年積溫在25.26℃～0℃，無霜期149～10 d。

天山北坡中段集水面積在30 km2以上的河流37條，年徑流量17.0×108m3以上，絕大多數河流年徑流量均遠小于1.0×108m3。主要河流依次為精河、古爾圖河、四棵樹河、奎屯河、八音溝河、瑪納斯河、呼圖壁河、頭屯河、烏魯木齊河、三工河、開墾河、木壘河等。現自西向東選取瑪納斯河、烏魯木齊河、木壘河作為典型河流進行洪水規律的分析。

2 河流

瑪納斯河是天山北坡年徑流量最大的河流，它發源于巴音郭楞蒙古自治州和靜縣境內，天山主峰以南小尤爾都斯以北的冰峰地區，由古仍郭合拉哈特，古仍郭勒，郭德郭勒和夏格孜郭勒四條支流匯流于瑪納斯、沙灣、和靜三縣交界處流入瑪納斯主河道，另一主要支流于和靜縣經呼斯臺郭勒峽谷過沙灣境內流入瑪納斯河。肯斯瓦特水文站以上河段為上游，河長160 km，集水面積4 637 km2，多年平均年徑流量為12.34×108m3，瑪納斯河屬融雪徑流補給型河流。

烏魯木齊河發源于中天山天格爾Ⅱ峰附近的一號冰川，源頭海拔4 479 m。西接頭屯河水系，東到烏拉泊和柴窩堡洼地之間的分水嶺，大致由南至北各支流泉溝匯入后流到東道海子，全長214 km，流域總面積4 684 km2。烏魯木齊河是一條冰雪融水、降雨及地下水混合補給的河流。英雄橋水文站多年平均年徑流量為2.427×108m3，其徑流組成大致為:冰川融水占12%，融雪水占37%，降雨占36%，地下水占15%。由此可見，烏魯木齊河水量主要由冰雪融水和降雨補給為主。

木壘河發源于天山山脈博格達山北坡，是木壘縣境內最大的一條河流。木壘河上游查漢布特溝先由西向東，沿途按納了兩條無名溝后，折向北與洞洞溝及三條無名溝匯合后流出控制斷面，向北注入躍進水庫。躍進水庫進庫水文站以上集水面積461 km2，多年平均年徑流量為0.454 1×108m3。

表1 天山北坡典型河流水文特征值

3 天氣形勢與暴雨

天山北坡中段處亞歐大陸腹地，遠離水汽源地，但在大的天氣系統過境時，往往是雨區籠罩面積大，時間長，由于山地效應，導致暴雨以山區為中心展開。以典型河流“199607”和“199907”洪水為例進行分析。

氣象資料表明［2］，“19960718”大降水之所以持續時間長，影響范圍廣，降雨強度大，導致這次大范圍長歷時的大降水天氣過程是因為:(1)伊朗副高加強北挺東移，引導北方冷空氣南下，西太平洋副高西伸北上，使得中亞低渦長時間維持，強度加強。(2)有力的風場、渦度場條件造成的上升運動，以及有利的水汽條件，是以烏魯木齊地區為中心特大暴雨產生的物理條件。(3)云系的南北結合、上下疊加、冷暖交綏，是這場大降水過程的云系特征。

1999年進入7月份以來，副熱帶高壓開始活躍，伊朗高壓發展北上至中亞地區，使得副熱帶低槽加深，而下游西太平洋副熱帶高壓，于7月中旬西伸至青藏高原東部使暖氣團進入南疆后伸向北疆地區，大于35℃的高溫在新疆維持了一個星期左右，而零度等溫線升到了5 500 m左右，到7月底一直居高不下，新疆有些地區5 500 m高度溫度達到5℃，大氣中高層的持續性高溫造成高山積雪大范圍融化，受副熱帶槽不斷分裂的短波影響，使新疆局部地區主要是天山東段兩側出現大的降水，大降水中心在巴音布魯克，高空溫度持續偏高使山區大量積雪融化和局地暴雨的疊加是形成天山北坡諸河“1999.07”洪水的主要原因。

4 洪水概況

4.1 1996年洪水

從7月18日～7月27日，來自中亞低值系統的強冷濕氣流入侵，暴雨中心所經過的天山山區，出現大范圍的區域性暴雨洪水。圖1為瑪納斯河1996年7月暴雨型洪水過程線，洪水起漲較快，回落緩慢，洪水過程較長，為單一洪峰過程，其最大洪峰流量達735 m3/s。

圖1 瑪納斯河1996年7月暴雨型洪水過程線圖

1996年7月18～20日，烏魯木齊河發生大洪水，連續三日三次洪峰，英雄橋水文站實測7月19日洪峰流量分別為213 m3/s、352 m3/s、348 m3/s，為建站以來最大洪水，洪水起漲迅速、回落也快。

圖2 烏魯木齊河1996年7月暴雨型洪水過程線圖

木壘河1996年7月25日～7月29日發生大洪水，圖3為躍進水庫進庫站1996年7月25日～7月29日暴雨洪水過程線圖，此次暴雨洪水由區域性降水形成。躍進水庫進庫站7月26～27日降水量達100.5 mm，其最大洪峰流量達140 m3/s。

圖3 躍進水庫進庫站1996年7月暴雨型洪水過程線圖

4.2 1999年洪水

1999年7月20日瑪河肯斯瓦特站出現了入汛以來第一次大洪峰，洪峰流量1041 m3/s，洪水起漲迅速、回落也快，同年8月2日又出現了有水文資料記載以來排序第一位的特大洪水，洪峰流量為1 100 m3/s，圖4為瑪納斯河1999年7月暴雨型洪水過程線圖。

圖4 瑪納斯河1999年7月暴雨型洪水過程線圖

圖5為1999年7月烏魯木齊河洪水過程，洪水起漲過程較為緩慢，回落較快，洪水歷時較長，洪峰流量為83.2 m3/s。

圖5 烏魯木齊河1999年7月暴雨型洪水過程線圖

圖6為躍進水庫進庫站1999年7月15日9時至7月18日9時洪水過程，此次暴雨形成突發性的陡漲陡落的局地性暴雨洪水，起漲迅速，回落也快，洪峰流量僅為38.6 m3/s。

圖6 躍進水庫進庫站1999年7月暴雨型洪水過程線圖

5 洪水特性分析

5.1 洪水成因及類型

根據天山北坡中段河流冰川分布、天氣形勢與暴雨特征及實測洪水資料分析，積雪消融和暴雨是洪水形成的主要原因。洪水一般發生在春季和夏季，春季洪水一般以冰雪消融型洪水為主，暴雨型洪水發生的概率較小;夏季洪水主要以暴雨型洪水和冰雪消融與降水形成的混合型洪水為多見。

根據天山北坡中段河流的洪水成因，可分為三種類型洪水:(1)冰雪消融型洪水;(2)暴雨型洪水;(3)冰雪消融與暴雨混合型洪水。

5.1.1 冰雪消融型洪水

冰雪消融型洪水是流域內冰川、季節性積雪在氣溫迅速和持續回升的作用下，導致大范圍消融而形成的洪水，這類洪水與氣溫關系十分密切。冰雪消融洪水主要特征是歷時較長，過程平緩，洪峰不大，洪量不小，具有明顯的日變化，形成一日一峰一谷的多峰過程。

5.1.2 暴雨型洪水

無論是局地性暴雨還是區域性暴雨，均能夠產生大洪水。暴雨洪水的主要特征是陡漲陡落，歷時短，峰高量小，過程單一，突發性強，來勢迅猛，破壞性極大，往往造成較大的洪水災害。

5.1.3 冰雪消融與暴雨混合型洪水

冰雪消融與暴雨混合型洪水是冰雪消融與暴雨洪水疊加而形成的洪水。此類洪水在烏魯木齊河流域較為常見，通常發生在每年的6～8月份之間。混合型洪水因組合不同而兼有積雪消融洪水和暴雨洪水的特征，其主要特征是歷時長，峰高量大，在有規律的日變化過程上疊加了降雨洪峰，對水利工程、防洪對象最具威脅。

5.2 變差系數分析

變差系數Cv值反映了洪峰流量總體的相對離散程度，變差系數的大小與降水量、降水強度、洪峰流量系列和集水面積的大小緊密相關，洪峰流量變差系數愈大，洪峰流量多年之間變幅也就越大，反之亦然。從系列終點即2009年向前依次計算洪峰流量系列的平均值和Cv，變差系數統計參數的計算公式為:

式中:Xi為洪峰流量系列為洪峰流量系列均值;Cv為變差系數;n為系列長度。

表2 天山北坡典型河流參數Cv對照表

分析表2知，短系列Cv值與長系列Cv值相對偏差較小，且與長系列相比相對偏差變幅逐漸減小，隨著統計年數的增加，Cv值逐漸趨于穩定，短系列Cv值相對長系列的相對偏差在統計年數達16年以上時基本穩定在5%變幅內。隨著河流集水面積的減小，變差系數值逐漸增加。

5.3 洪水過程線對比分析

針對瑪納斯河、烏魯木齊河、木壘河1996年、1999年暴雨洪水過程線進行分析，其洪水過程線特征是起漲迅速、回落也快;或起漲迅速、回落慢;或起漲較慢、回落快。洪水過程最大1日洪量占最大3日洪量38.30%～65.61%，平均49.05% 。

表3 天山北坡典型河流洪水過程特征

5.4 洪水變化情況

20世紀80年代中期以來，新疆氣侯持續增暖，降水增加，出現了較為明品的暖濕跡象，對氣候變化響應敏感的新疆大多數地區，呈現出河川徑流量增加、大洪水頻發的現象。統計3條代表性河流不同年代最大洪峰流量均值，結果顯示:20世紀60-80年代洪峰流量均值雖有波動，但變化不大;進入20世紀90年代以后大多數河流10 a滑動平均值都遠比60-80年代大，瑪納斯河肯斯瓦特站60-80年代平均值分別為 363.0 m3/s、297.4 m3/s、330.6 m3/s、而 90 年代 10 a平均值467.5 m3/s;烏魯木齊河英雄橋站60-80年代分別為 87.6 m3/s、82.2 m3/s、66.9 m3/s、而 90 年代 10 a 平均值123.3 m3/s;木壘河躍進水庫進庫站60-80年代分別為34.9 m3/s、32.0 m3/s、56.9 m3/s、而 21 世紀 00 年代 10 a平均值50.9 m3/s(表4)。

表4 代表河流各年代最大洪峰流量均值

圖7 天山北坡典型河流參數Cv對照圖

6 結語

通過對典型河流的洪水分析，1)洪水成因及類型相同，2)大范圍的天氣過程造成沿天山北坡一帶由西向東依次發生大洪水，3)自西向東變差系數逐漸增大，4)洪水過程線基本相似，5)近10 a來新疆河流洪水頻繁發生，且呈現出峰高量大，其原因:一是夏季南北氣溫升高;二是夏季降水量增多，使1987年后發生超定量、超標準頻次的洪水明顯增加。因此，天山北坡中段河流從洪水成因及類型、變差系數、洪水過程線具有相似性，其成果對工程水文分析計算和洪水預報等具有重要意義。

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