新疆小流域山洪臨界雨量分析計算
——以天山北坡巴音溝河流域為例

（新疆石河子市巴音溝河流域管理處，石河子市，832116） 馬紅剛

引發(fā)中小河流洪水災害和山洪災害的外動力因素是降雨，當降雨達到一定的量級或強度時才引發(fā)中小河流洪水災害和山洪災害。臨界雨量是指在一個流域或區(qū)域內，某一時間段內降雨量達到或超過某一量級和強度時，該流域或區(qū)域將發(fā)生山溪洪水、泥石流、滑坡等山洪災害，這個降雨量或降雨強度稱為該流域或區(qū)域的臨界雨量（強）。臨界雨量是中小河流洪水預警預報作業(yè)的重要基礎，在水文站點缺乏的地區(qū)只能通過臨界雨量進行預警;在有水文站點的地區(qū)，因流域坡度陡、面積小，從降雨發(fā)生到災害出現(xiàn)往往時間較短，預報的見期亦非常短，尤其是水文站點與防護對象同區(qū)時，只能根據(jù)臨界雨量進行預警。因此，臨界雨量的分析計算對中小河流洪水預警預報作業(yè)有著重要的意義。近年來，隨著中國國力的提高，國家大力發(fā)展自動氣象站、通訊基站的建設，同時伴隨著4G網(wǎng)絡和手機通訊手段的提高，隨著這些氣象站通行基站在縣鄉(xiāng)甚至村一級的加密布置，可以輕易的獲得自動氣象站數(shù)據(jù)的降雨數(shù)據(jù)，使得臨界雨量指標的研究分析更加方便，臨界雨量的防洪減災的效用得以提

1 研究臨界雨量的方法

近年來，國內外學者在臨界雨量方面做了很多有益探索，方法歸納起來主要分為理論方法和經(jīng)驗方法兩大類。理論方法以山洪災害形成的水文學、水力學過程為基礎，具有較強的物理機制和推導過程，主要包括水位反推法、土壤飽和度－降雨量關系法、暴雨臨界曲線法等。水位反推法以洪水與暴雨同頻率為基礎，結合歷次災害水位及防洪工程情況計算分析臨界雨量，在實際應用中有一定的參考價值。經(jīng)驗方法無明顯的推導過程和物理機理，對資料要求不高，主要依據(jù)地理條件相似性、事件相關性等原則確定山洪災害臨界雨量指標，有資料地區(qū)主要采取統(tǒng)計歸納法，統(tǒng)計歸納法通過對不同雨量站歷次災害資料進行統(tǒng)計分析，計算得到臨界雨量，該法按范圍不同又可分為單站臨界雨量法、區(qū)域臨界雨量法等。鑒于此，本文主要基于區(qū)域臨界雨量法和水位反推法分析計算確定臨界雨量。

2 區(qū)域山洪臨界雨量的分析計算（區(qū)域臨界雨量法）

2.1 資料收集與統(tǒng)計

首先根據(jù)區(qū)域內各雨量站歷史山洪災害發(fā)生時間表，收集對應的雨量資料（區(qū)域內只要有一個站發(fā)生山洪，視為該區(qū)域內發(fā)生了山洪，則區(qū)域內所有雨量站都要收集和統(tǒng)計對應的降雨過程資料），降雨過程的劃分與單站方法相同。

計算區(qū)域內與歷次山洪災害對應的各時段最大面平均雨量，假設區(qū)域內共有S個雨量站，共發(fā)生山洪災害N次，共統(tǒng)計T個時段的面平均雨量，面平均雨量計算可采用算術平均法、泰森多邊形法、雨量等值法等多種方法，根據(jù)典型區(qū)域的實際情況而定，但要保證計算得到的面平均雨量的精度。Rtj為t 時段第j 次山洪災害對應雨量過程中的最大面平均雨量（通過滑動平均得出），則區(qū)域內各時段有N個（每場災害一個）最大面平均雨量值。

2.2 區(qū)域臨界雨量的初值確定

統(tǒng)計N 次山洪災害各時段最大雨量面平均值的最小值，即為各時段區(qū)域山洪臨界雨量初值。

2.3 區(qū)域臨界雨量分析

（2）區(qū)域山洪災害臨界雨量，可作為判別區(qū)域內有無山洪災害發(fā)生的定量指標，因在統(tǒng)計山洪災害次數(shù)時，只要區(qū)域內有1個站發(fā)生了山洪災害，就認為區(qū)域內有山洪災害發(fā)生。因此，它無法判別區(qū)域內受災面積的大小及災害嚴重程度（面降雨量越來大于臨界雨量，災害將越嚴重），但這種方法對資料要求不高，對于雨量站密度相對較小的區(qū)域，比較適用。

3 臨界雨量分析計算實例

3.1 巴音溝河流域概況

巴音溝河流域遠離海洋，地處歐亞大陸腹地，位于新疆天山北坡中段，準噶爾盆地南緣，東與金溝河相鄰，西與奎屯河接壤，南抵依連哈比爾尕山脈的哈爾阿特河33 號冰川，北達古爾班通古特沙漠。其地理位置介于東經(jīng)84°45′～85°27′，北緯43°29′～44°58′之間。巴音溝河發(fā)源于天山北坡高山帶，既有高山冰川和永久性積雪補給，又有中、低山區(qū)季節(jié)性積雪和夏季降水補給。巴音溝河儲冰量92×108m3，折合水量74×108m3，年平均融水量1.50×108m3～2.00×108m3，徑流量由冰川融水約占年徑流量的25%～35%、降雨融雪混合補給約占年徑流量的45%～55%，地下水約占年徑流量的15%～25%組成。海拔3 800m 以上的冰川和永久性積雪為河流提供了充足的水源。地貌總體上從南到北依次為山地一前山丘陵一山麓傾斜平原一沖一湖積平原。

3.2 流域內自動氣象站和水文站概況

水文站：喇嘛廟水文站隸屬新疆烏蘇市，巴音溝河引水樞紐水文站隸屬新疆石河子市，安集海水庫水文站隸屬新疆石河子市；本文中的洪水數(shù)據(jù)使用巴音溝河引水樞紐水文站數(shù)據(jù)。

自動氣象站：建成6處，可以使用3處。新疆氣象臺2014 年在巴音溝河牧場（隸屬新疆烏蘇市），2014年鹿角灣景區(qū)（隸屬新疆沙灣縣），2011年在巴音山莊景區(qū)（隸屬新疆石河子市），設立自動氣象站。降雨數(shù)據(jù)使用以上三處自動氣象站。數(shù)據(jù)來源于新疆氣象臺網(wǎng)站。

3.3 臨界雨量分析計算前說明

統(tǒng)計2014年以來的洪水資料，和洪水管理實際經(jīng)驗，對應研究相應時間點，前1h，前3h，前6h，前1d，前2d，前3d。研究發(fā)生洪水和不同時間范圍內發(fā)生降雨之間的關系。

受氣象站統(tǒng)計降雨數(shù)據(jù)限制，對10min和30min的降雨無法獲取，在此不做研究，由于巴音溝河發(fā)生連續(xù)兩天和連續(xù)三天發(fā)生2 次洪水情況較多，如果將這種連續(xù)洪水第二次洪水列入研究范圍,將會將導致計算出來的1h，3h，臨界雨量初值拉低，導致計算和分析結果無法使用。第二次洪水不作為研究對象。為了涵蓋這種情況，在原研究基礎上增加了前2d，前3d降雨。

（1）洪水與對應降雨表

根據(jù)區(qū)域發(fā)生山洪災害時間，統(tǒng)計分析該山洪災害發(fā)生時前所對應的最大1h、3h、6h、1d、2d、3d的降雨量，根據(jù)歷次災害雨量合理確定各時段臨界雨量，結果如表1所示。

表1 典型山洪洪水與降雨表

把下游洪水發(fā)生的時間，通過多年洪水工作經(jīng)驗，回歸到上游各支流初始洪水匯流時間。由于降雨從降雨點到巴音山莊時間不同，鹿角灣設定為提前2h，巴音溝牧場設定為提前2.5h，巴音山莊為提前0h。通過數(shù)據(jù)降雨時間點和洪水發(fā)生時間對照，滿足經(jīng)驗方法。由于自動氣象站的相對距離較小，都小于25km，計算時繼續(xù)合并計算。

（2）計算過程及結果

巴音溝河山洪典型區(qū)臨界雨量(mm)

洪峰20140715 20150627 20160629 20160707 20160711 20170622 20170715 20180813最大最小平均臨界雨量1h 7 5.5 9.1 10 8.8 12.1 18.1 5.8 18.1 5.5 9.55 5.5-9.55 3h 9.6 10 16.7 10.1 9 50.8 27.4 9.5 50.8 9 17.89 9-17.89 6h 13.6 24.5 17.2 10.3 9 53.1 27.5 21.5 53.1 9 22.09 9-22.09 1d 13.6 24.5 18.4 52.9 18 57.2 66.1 29.8 66.1 13.6 35.06 13.6-36.06 2d 19.5 24.5 18.4 63 22.5 65.1 66.6 29.9 66.6 18.4 38.69 18.4-38.69 3d 19.5 24.5 18.4 63 31.9 65.1 70.2 29.9 70.2 18.4 40.31 18.4-40.31

4 水位反推法分析計算

4.1 水位反推法

假設洪水與暴雨同頻率，主要思路和方法如下。

（1）根據(jù)流域內水閘具體情況、歷史洪水災害發(fā)生位置等選取控制斷面，分析確定歷史最高水位、警戒水位（威脅水閘安全，準備轉移的水位）、危險水位（水閘可能隨時發(fā)生險情，需立即轉移的水位），根據(jù)水位流量關系，計算各控制水位對應的流量Q警戒、Q危險。

（2）進行洪水計算，確定各暴雨頻率P下降雨形成的斷面洪水過程線，并繪制各頻率洪水洪峰流量與暴雨頻率的關系曲線圖Qmax，p～P。

（3）從Qmax，p～P關系曲線上查得與Q 警戒、Q危險對應的頻率值P警戒、P危險。

根據(jù)P 警戒、P 危險，由頻率計算得到各時段（1、3、6、24、48、72）警戒雨量、危險雨量。

4.2 警戒水位、危險水位，對應的警戒流量，危險流量

首先確定突發(fā)洪水可能影響水閘安全，加大觀察的水位和流量，再確定水閘可能失事，人員立即轉移的水位和流量。然后通過水位流量關系圖確定流量。

巴音溝河渠首攔沙庫閘為5m 寬4m 高4 孔閘，泄洪時為四孔閘全部提空，適用堰流公式，式中的m 為流量系數(shù)，b 為閘寬，e 為啟閘高度，h 為閘前水位，g 為9.8，由于是堰流，e等于h。

（1）流量系數(shù)的確定：

黃河水科院按照1:40 的比例，制作模型，驗證溢流堰和水位關系圖，

溢流堰水位流量關系

黃河水科院為巴音溝河渠首改建工程通過試驗測算堰流的流量系數(shù)為0.434。由于改建工程即將實施，改建工程的溢流堰為40m 寬，而現(xiàn)有水閘工程閘底寬合計20m。通過水閘運行單位下游引水閘實測比較和試驗測算結果較為接近，所以在此流量系數(shù)選用0.434。

簡化為：

將各水位帶入式中得到以下水位流量曲線：（見圖1）

圖1

巴音溝河攔沙庫閘為中性攔河式水閘，河壩寬550m，閘前淤積嚴重，水閘即將進行除險加固，水閘過水能力不足降為200m3/s,在此將200m3/s設定為危險流量和對應危險水位3m。巴音溝河汛期日常運行流量為30m3/s 至60m3/s，在此將65m3/s 設定為警戒流量和對應警戒水位1.4m。

（2）洪水警戒頻率，洪水危險頻率

將1958 年至2018 年，（1981 至1987 年暫缺）的洪峰數(shù)據(jù)，利用綜合單位線法計算得到該流域各設計頻率P下的設計洪峰流量Qmax，p，點繪兩者之間的關系（見圖2）

根據(jù)Q警戒、Q危險，從圖2中查得警戒和危險狀態(tài)時的頻率P警戒、P危險分別為80%、10%。由各時段暴雨序列資料，采用PⅢ頻率曲線分析得到相應時段的設計暴雨參數(shù)，結果見表2。由各時段暴雨PⅢ頻率曲線，計算得到各時段對應頻率的警戒雨量、危險雨量（見表2）。

圖2

（3）暴雨警戒頻率，暴雨危險頻率

水位反推法是基于暴雨、洪水同頻率的假定，即臨界流量與臨界雨量對應的頻率一致。根據(jù)防災對象的實際情況，確定防災對象附近溝道控制斷面上可能發(fā)生山洪災害的臨界洪水位。根據(jù)水位-流量關系反推出臨界流量及相應頻率。基于同頻率的假定，利用水文氣象資料確定臨界雨量頻率對應的設計面暴雨量值，最終利用暴雨公式確定防災對象各典型預警時段對應的臨界雨量值。制作不同時間暴雨頻率曲線圖

（4）水位反推法結論

通過在圖表中查得

72h 69 22頻率10 80 P危險P警戒洪水207 65 1h 16 5 3h 31 10 6h 38 12 24h 60 19 48h 60 19

5 綜合區(qū)域臨界雨量法和水位反推法確定臨界雨量指標（見表2）

表2 巴音溝河山洪典型區(qū)臨界雨量(mm)

6 結語

巴音溝河流域是典型的山區(qū)小流域，坡降較陡，局部暴雨強度大，洪水具有匯流時間短、流速快、沖擊力大、破壞性強等特點，極易造成水土流失，大量泥沙、卵石被沖入河道，淤積河道，抬高河床，嚴重威脅到兩岸的村莊和農田，沖毀水利設施和道路工程，危及人民群眾生命財產(chǎn)安全。天山北坡是新疆經(jīng)濟發(fā)展最快的地區(qū)，新疆巴音溝河流域位于天山北坡中段沙灣縣境內，巴音溝河上游的鹿角灣景區(qū)，中游的安集海大峽谷景區(qū)，臨近的獨庫公路，待普僧景區(qū)，來往這些地方多為山區(qū)公路，都是新疆著名的自駕游旅游景點。同時本地區(qū)也是牧區(qū)、煤區(qū)、景區(qū)，研究本地區(qū)的臨界雨量，可以為牧區(qū)牧民、游客、牲畜以及煤礦避免泥石流和山洪的做出風險預警。

通過山洪災害臨界雨量計算分析方法，并初步確定了巴音溝河小流域山洪災害臨界雨量指標，采用區(qū)域臨界雨量法和水位反推法，確定巴音溝河小流域1h、3h、6h、24h、臨界雨量值；另外，考慮山洪災害當天雨量和前期有效雨量的關系，增加了48h、72h雨量統(tǒng)計，建立了臨界雨量指標，巴音溝河臨近四棵樹河，奎屯河，金溝河，寧家河，瑪納斯河，塔西河，通過研究巴音溝河臨界雨量可以為臨近河流研究臨界雨量，提供比擬對象。臨界雨量的確定為管理巴音溝河渠首管理山洪型洪水提供了基礎理論依據(jù)，為巴音溝河渠首洪水預警提供了依據(jù)，也促使下游安集海灌區(qū)防洪體系更加完備。為該地區(qū)區(qū)洪水預報工作提供一定的參考價值。