呼圖壁河流域石門水文站超標洪水測報方案設計探討

張 燕

(新疆昌吉水文勘測局，新疆 昌吉 831100)

1 呼圖壁河流域概況

1.1 自然地理

呼圖壁河流域西南與瑪納斯河交界源峰為最高峰，海拔5 292 m；北部平原沙漠最低處僅360 m，南北高差近5 000 m。從河源至下游，大致可以分為山地—丘陵—沖積扇—沖洪積平原4個地貌單元。按地形變化可以概括為南部山區(qū)、中部平原區(qū)、北部沙漠區(qū)。呼圖壁河上游山區(qū)支流呈樹枝狀分布上游河道坡降較大，主河道在中山區(qū)形成后，經過中山區(qū)、戈壁平原區(qū)，在沖積扇緣，泉水溢出帶的芨芨壩處再分為2條河(東河和西河)。東河上建有小海子攔河水庫，西河上建有大海子攔河水庫。

1.2 流域水系

呼圖壁河發(fā)源于天山北坡的喀拉烏成山及天格爾山，經高、中、低山區(qū)流入平原，源頭高程3 700 m，出山口高程在1 000 m以下，河流全長約258 km。沿程有東、中、西呼圖壁河源頭支流和紅閘、白楊河、哈熊溝、石梯子溝、大洪溝等支流匯入，經過青年渠首和平原各類蓄、調、輸、引水工程，為呼圖壁河流域及各生產單位引用，最后消失于沙漠之中。呼圖壁河補給源于高山區(qū)的消冰融雪、中山區(qū)的降水和地下水的補給。

2 流域水文氣候特征

2.1 降水蒸發(fā)

呼圖壁河位于大陸腹地，地處歐亞大陸中心，遠離海洋，且四面有高山環(huán)抱，地形封閉，地形南高北低，南北狹長，東西狹窄，造成南北方向氣候差異較大。從南至北，可分為高中山寒溫帶和中部平原與北部沙漠中溫帶。夏季酷熱，冬季寒冷，冬夏兩季漫長，春、秋季短暫，并有春季升溫快，秋季降溫迅速、降水量較少、蒸發(fā)量較大、氣候干燥等特點，屬典型的溫帶大陸性干旱氣候。極端最高氣39.0℃，極端最低氣溫-31.1℃。

多年平均降水量406.5 mm,夏季降水量明顯多于冬季，最大年降水量545.4 mm(1988年)，最小年降水量215.6 mm(1977年)。降水量年際間變差校大，年內分配不均勻，5-8月四個月降水量約占年降水量的61.3%；多年平均水面蒸發(fā)量1 725.6 mm，最大年蒸發(fā)量1 794.8 mm(1997年)，最小年蒸發(fā)量1 187.8 mm(1998年)，其中5-8月約占75.3%。

2.2 徑流

呼圖壁河徑流年內分配不均勻，一般是夏豐、秋平、冬少，洪水和枯水相差比較大，多年平均徑流量為4.808億 m3，主要集中在6-9月，約占全年的79.0%，尤其是7月份來水最大，站年徑流量27.2%，而9-12月份僅占4.4%，石門站歷年最大徑流量為6.336億 m3(1999年)，最小為3.630億 m3(1986年)，極值比為1.7。

呼圖壁河屬山溪性河流，河長短，匯流時間較短，在暴雨洪水季節(jié)極易發(fā)生陡漲陡落型洪水，洪峰持續(xù)時間較短。洪水最早出現(xiàn)在6月份，其峰量較小，8月份受降水影響，也有洪水發(fā)生，但量級較大的洪水一般出現(xiàn)在6-7月；一般年份多呈單峰出現(xiàn)，豐水年份洪水一般為多峰型，歷時長較長，石門站實測最大洪峰流量371 m3/s(1996年)。

2.3 泥沙

呼圖壁河懸移質泥沙年內分配不均勻，夏季氣候干燥，加上地表巖石物理風化強烈，大量冰雪融水和局部暴雨洪水攜帶大量泥沙，使得夏季輸沙量高度集中。連續(xù)最大四個月輸沙量出現(xiàn)在5-8月，其輸沙量占到年輸沙量的46.3%以上，最高達86.8%。根據(jù)石門水文站1981-2020年39 a的資料統(tǒng)計，多年平均含沙量為0.804 kg/m3，最大年輸沙量為86.8×104t(1996年)，多年平均輸沙量為47.3×104t。

3 石門水文站概況

3.1 測站位置及水文特性

石門水文站為呼圖壁河區(qū)域代表水文站，屬省級重要水文站，始建于 1977年4月，距昌吉市125 km，地理坐標為東經86°34′17.04″、北緯43°44′48.53″，水文站以上集水面積1 840 km2，河長91 km，測站高程1 480 m。石門站距昌吉市125 km，測站位于深山之中，汽車行駛共約3 h才能夠到達。

測站徑流的年內分配主要受補給源制約，以冰雪融水和雨水混合補給為主，徑流的年內變化與氣溫及降水的季節(jié)變化關系十分密切，夏季高溫降水較大，徑流量大且集中，冬季降水少溫度較低，徑流量小而穩(wěn)定。本站屬于山溪性河流，河長短，匯流時間較短，在暴雨洪水季節(jié)極易發(fā)生陡漲陡落型洪水，洪峰持續(xù)時間較短，最長洪峰歷時大約8.5 d，最短洪峰歷時大約2.5 d。徑流、泥沙年內集中程度高，集中出現(xiàn)在5-8月，水沙峰基本相應。受斷面沖淤、洪水漲落和上游電站排沙影響歷年水位流量關系為多為臨時曲線。

3.2 測驗河段及斷面情況

測驗河段較順直，長約200 m，河床切割較深，兩岸陡峭，中、高水位時主槽寬度大約23～27 m，無岔流、串溝、逆流、回水、死水等情況。河床為砂礫石組成，無水生植物生長，沖淤變化較小。基本斷面下游150 m處有急灣作為控制，水位流量關系較穩(wěn)定。基本水尺斷面左岸為巖石峭壁，右岸為巖石和沉積戈壁砂石混合而成，約為40°陡坡，坡上長有灌木，對坡面沙石有固定作用。基本斷面上游450 m處有白楊溝支流自左岸匯入，由于來水量較小，對主流影響不大。基上1 060 m處建有達拉拜水電站一座，為攔河壩，枯水期受電站閘門啟閉排沙的影響，測驗斷面沙石淤積嚴重，造成水位流量關系不穩(wěn)定；冰期產生冰塞或冰壩，水位無代表性(見圖1和圖2)。

圖1 測驗河段平面圖

圖2 石門水文站大斷面圖

4 石門水文站應對超標洪水現(xiàn)狀能力分析

石門站目前水位能觀讀到1 245.66 m，《水位觀測標準》要求每年水尺的布設不低于歷史最高洪水位以上1 m，當出現(xiàn)超標洪水時根據(jù)水勢變化增加臨時水尺觀測；當附近有穩(wěn)定的建筑物或粗壯的大樹、電線桿時，可在上面安裝水尺板進行觀測；也可在高于水面的建筑物上找一個固定點向下測定水位，零點高程可待水位退下后進行測量。目前水文站的纜道測洪能力為130 m3/s，當出現(xiàn)超標洪水流量時、可采用電波流速儀、微波流速儀、浮標及比降面積等方法進行測流。石門站距昌吉市125 km，到達測站的道路基本為柏油路，測站位于深山之中，當石門站出現(xiàn)超標洪水時，超標洪水測報應急小組可根據(jù)雨水情和交通等情況，選擇最有效、最安全的路線及時對石門站進行支援。主要通過兩條支援路線進行支援處置，但所需時間均需3h左右，所需應急時間較長，所以應該結合測站超標洪水發(fā)生實際，基于現(xiàn)代化的監(jiān)測手段進行超標洪水測報方案的設計尤為重要。

5 超標洪水測報方案設計

根據(jù)本站實際測洪能力和防洪標準，可以180～300 m3/s和300 m3/s以上兩個洪水量級，分別制定超標洪水測報方案。

5.1 流量(180～300 m3/s)測報方案設計

5.1.1 水位觀測

在水位日常觀測中，當水位觀測到歷史最高洪水位0.5m以上或超出觀讀范圍應及時增設水尺。在基本斷面上，當水位計觀測滿足規(guī)范要求時采用自動雷達水位計采集，如果水位計不滿足規(guī)范要求或出現(xiàn)故障時，采用人工觀測。非汛期每日觀測不少于2次，汛期平水期每日觀測不少于3次，洪水期根據(jù)洪水漲落率大小隨時增加測次，洪水漲落急劇時，以6 min的倍數(shù)觀測水位。在比降斷面，當流量達到36.1 m3/s時，在測流開始、結束各觀測比降水位一次。

5.1.2 流量測驗

(1)當洪水漲落緩慢且漂浮物少時，采用流速儀法，方案安全可靠，測驗精度符合規(guī)范要求。水位采用雷達水位計或視頻監(jiān)控人工直接觀讀；測深一般選用實測水深或借用大斷面測量成果；測速則采用流速儀0.6一點法或雷達波測速儀進行水面測速。

(2)當洪水漲落急劇且漂浮物較多時，則采用雷達波流速儀測流。水位觀測以雷達水位計采集為主，人工直接觀讀為輔，觀測到完整的水位變化過程；測深主要采用實測水深或借用臨近測次水深、實測大斷面成果；測速則采用中泓浮標法測流，浮標系數(shù)0.58，或雷達波測速儀。

5.1.3 泥沙觀測方案

1)觀測方案(一)：

(1)單沙：主流一線在0.6處一點法取樣，含沙量變化劇烈時，在沙峰的起漲、峰頂和落平等轉折處均應分布測次，每次較大洪水，單沙取樣不少于3次，洪峰重疊、水沙峰不一致時應增加測次。

(2)斷沙：實測年根據(jù)水面寬度，布設不少于5條垂線取樣，整個沙峰過程應布設2～3次斷沙測驗。含沙量變化較劇烈時，應再增加測次。

2)觀測方案(二)

(1)單沙：當洪水漲落急劇，含沙量變化大時，單沙在岸邊水流明顯處取樣。

(2)斷沙：當洪水漲落急劇，含沙量變化大時，布設不少于5條垂線水面0.0取樣，采用全斷面混合法施測斷沙。

5.1.4 具體報訊方案

(1)應根據(jù)實際，修訂過去的報汛曲線，嚴格執(zhí)行“四隨”制度，不得以任何理由貽誤水情。在一般情況下，當流量在180～300 m3/s時，應堅持每日2段次加報，即8 h、20 h共報2次。報訊的方式可采用固定電話、手機或網絡向基層水文機構水情科發(fā)報，由水情科通過移動專線報上一級水文監(jiān)測機構水情處。對超標洪水的預警預報，可采用平穩(wěn)時間序列分析法、非平穩(wěn)序列逐步回歸周期分析法進行預測分析，為各級人民政府準確決策提供科學依據(jù)。

(2)特殊情況下的測洪方案(夜間、潰口分流等)：主要是遇到夜晚電網供電中斷時，可啟用備用電源和便攜式照明設備，包括小型發(fā)電機和強光手電筒。當下河道路受阻，比降水位無法觀測時，可以通過雷達水位記和監(jiān)控視頻只觀測基本水位，必要時可設立臨時水尺或設立臨時參照物，待洪水退時再進行測量。所有測驗人員均需配備手機等通訊設備，當出現(xiàn)網絡通信故障時，可采用對講機進行實時聯(lián)絡。水洪水威脅到測驗設備及人員安全時，要第一時間組織人員將觀測房內的流量、泥沙測設備轉移到站房內，同時將吊箱停放在相對安全位置，并將所有觀測斷面的測驗人員轉移到安全地帶。

5.2 流量(300 m3/s以上)測報方案設計

5.2.1 水位觀測

當流量達到300 m3/s以上時，要保證觀測水位變化全過程。在基本斷面觀測時，要以雷達水位計采集為主，人工通過監(jiān)控視頻看水位為輔，控制完整水位變化過程。在比降斷面，要保證測流開始、結束各觀測比降水位一次。

5.2.2 流量測驗

采用雷達波測速儀測流，當雷達波出現(xiàn)故障或超出使用要求時，采用中泓浮標法測流，浮標系數(shù)0.58。水位主要以雷達水位計或視頻監(jiān)控人工直接觀讀；測深則借用大斷面測量成果。測速采用雷達波流速儀測速或中泓浮標測流，中泓浮標系數(shù)0.58。

5.2.3 泥沙方案

單沙：含沙量變化較大時，單沙在岸邊水流明顯處取樣，整個沙峰取樣不少于3～5次，水沙峰不重迭時增加測次。

斷沙：流量大于300 m3/s時，則對斷沙則要停測。

5.2.4 報訊方案

修訂當年報汛曲線，嚴格執(zhí)行“四隨”制度，不得以任何理由貽誤水情。超過300 m3/s時，每日6段次加報，即每4 h報一次。具體的報訊方式、預警預報、特殊情況下的測洪及轉移方案與前述相同。

6 結語

呼圖壁河屬山溪性河流，河長短，匯流時間較短，在暴雨洪水季節(jié)極易發(fā)生陡漲陡落型洪水，洪峰持續(xù)時間較短，大量冰雪融水和局部暴雨洪水攜帶大量泥沙，使得夏季輸沙量高度集中。通過設計合理的超標洪水測報方案可為保證沿岸人民群眾生命財產安全提供準確的預測預警。基層水文工作者在進行測報工作中，要嚴格按照相關規(guī)范及超標洪水測報方案的要求，防止違規(guī)觀測或操作，選擇大路或熟悉的道路進行觀測，當發(fā)生超標洪水時，必須在確保安全的前提下實施水文測報，同時要做好設施設備、資料和人員轉移工作，確保安全施測，測報過程嚴格按照“四隨”工作要求，超標洪水過后要及時補充調查，加強合理性分析檢查，確保最終測報質量。