瑪納斯河流域防洪水文數據變化特征分析

(新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 石河子 832000)

1 河流概況

瑪納斯河(以下簡稱瑪河)流域屬于新疆天山北坡經濟帶的重要區域，北部是古爾班通古特沙漠，東西分別與塔西河、巴音溝河流域接壤，南部緊鄰哈比爾尕山且被靜縣所包含。從地理位置看，瑪河處在東經85°01′～86°32′、北緯43°27′～45°21′之間，流域面積19800km2。天山北麓依連哈比爾尕山[1]是瑪河的“根”，瑪河自發源處起全長324km，由南至北貫穿整個噶爾盆地，是融雪型河流的代表。據瑪河流域多達7處水文站測算，該河流多年以來平均徑流量達12.31億m3，其中以紅山嘴水文站為界，上流集水面積達5156km2，整個上游長度190km。以肯斯瓦特水文站1954—2016年共計63年徑流資料為例，肯斯瓦特斷面瑪河多年平均年徑流量12.56億m3，紅山嘴斷面多年平均徑流量13.41億m3。通過對上述年份的徑流資料進行歸納發現該河徑流的年內分配主要集中于6—9月，水量達到全年徑流量的80.11%，其中占比最大的月份為夏季的7月和8月，總量占到年徑流量的55.34%[2]。

2 洪水成因分析

調查發現瑪河的汛期為每年的7月和8月。我們對1953—2007年該流域的水文數據作了綜合分析，結果顯示歷年洪水洪峰流量發生月份在7月和8月的占比達到96%，而其余兩年的洪峰流量依然出現在6月下旬至7月上旬。根據氣溫變化我們推論出該流域洪水的主要成因是積雪融化，7月的高溫氣溫導致山脈的積雪融化，從而顯著增大了該流域洪水發生的概率。除此之外，該區域夏季降雨豐富，集中在5—8月的連續降雨成為了洪水暴發的“輔助力量”。以下三種洪水類型是我們按照一般洪水成因對瑪河流域的洪水作的三種區分：

a.消融型洪水。隨著氣溫升高，山脈的長期性積雪消融，而洪水的峰量也隨著氣溫變化而改變，有顯著的規律性。通過觀察發現在整個汛期，洪水很大程度地表現出“一日一峰”的現象，這說明在整個汛期，這類洪水水量占有非常大的比例。

b.暴雨型洪水。暴雨型洪水主要受兩個因素制約——天氣和地形。暴雨多見于山區中部，豐富的降雨量加上天然的山谷地形使得這類洪水成型速度快、水勢兇猛、伴隨泥石流等災害同時發生。但是這類洪水一般峰高量少，所謂來得快去得也快，雨停則洪水滅。

c.綜合型洪水。顧名思義綜合性洪水的特性包含了上述兩種類型洪水的所有特征，是他們的綜合體。每年7月和8月都會在瑪河流域形成長達兩個月的高洪峰、大洪量洪水，伴隨兩個月連續的高溫和高降水量，中部暴雨與上部冰雪消融水形成疊加組成了具有嚴重破壞性的綜合型洪水，這是水利工程和水庫工程的主要防范對象。

3 防洪水文數據分析

3.1 水文觀測站選取

自1952年起，瑪河共設置紅山嘴、肯斯瓦特等7處水文觀測站(具體水文站信息見表1)。這7處水文站，均由新疆維吾爾自治區水利廳設立，由自治區水文局直接管理。但伴隨站點改變和撤銷情況發生，截至目前，該河流域僅留存有3處水文站——紅霓溝煤窯站、清水河子站和肯斯瓦特站。1995年至今，瑪河流域管理處在紅山嘴站撤站渠首觀測，觀測項目為徑流。

表1 瑪河各水文站基本情況

從表1中可以看出工作時間最久的水文站為肯斯瓦特水文站，其地理位置見圖1。該站點處在東經85°57′、北緯43°58′，從站點位置可以看出該站點幾乎控制了瑪河所有的地表支流。此站于1955年5月始運行，8年后首次做了下遷調動——自原位置向下游遷離了40m。后由于氣候原因在1975年做了“停測一年”的整改，停測前后的數據波動可忽略不計，并且能合并統計繼續使用[2]。

相較現存的其他兩個水文站，肯斯瓦特站點的優勢主要表現在規整的測驗斷面、穩定的河床以及良好的控制條件。此外，該站點管理制度完善，各項資料信息在發布之前均需經過水文資源分局乃至水文資源總局的審查，由此可見此站點的信息精度具有官方驗證的準確性。更重要的是該站點具備過硬的檢測設備與硬件措施，比如該水文站使用浮標和流速儀做流量測驗，而泥沙測驗用到了瓶式采樣器。蒸發量以20cm蒸發皿觀測，降水量觀測采用20cm口徑雨量器。通過分析收集到的肯斯瓦特水文站測得的連續60余年洪水資料和徑流資料，并結合鐵道部第一設計院、自治區公路局、新疆農墾總局設計院和石河子水文水資源局等多家單位對瑪河歷史洪水的調查成果報告，可以匯總凝練出具有權威性和高精度的一手資料，這對整個項目具有重要的意義。

圖1 肯斯瓦特水文站位置

3.2 歷史防洪水文數據分析

對歷史數據作有針對性的分析有助于我們總結事物發展的客觀規律，構建一系列方法。瑪河的歷史洪水調查和考證從未停止過，從1956年至今有超過四家單位參與到這項工作中來，其中1956年鐵道部設計院和1977年新疆農墾總局設計院的調查最具代表性與參考價值。前者對1901—1956年間的洪水進行了流量統計并做了排序。此外，他們還由此推得1931年洪峰流量為843m3/s(瑪河公路橋附近)、離勢系數為0.7、100年一遇洪峰流量為1130m3/s、300年一遇洪峰流量為1331m3/s。后者與石河子水文隊合作，針對此項工作前后花費3個月時間做了細致調查，部分調查成果見表2。

表2 瑪河干流歷史洪水調查成果

3.3 徑流特征

新疆北部多數河流屬于綜合型補給河流，瑪河作為北疆關鍵性河流其徑流特征也具有代表性。“水流變化相對較緩、雨水分配集中、氣溫影響大”是北疆綜合型河流最典型的特征。氣溫變化導致年徑流量發生改變，同時降水又制約著這種波動，從而保證了北疆綜合性河流多年以來徑流量的相對平穩。表3反映了肯斯瓦特水文站徑流多年平均月的分配情況(以1954—2007年共54年徑流資料為例)。

表3 肯斯瓦特站徑流多年平均月分配

3.4 洪峰分析

3.4.1 洪水系列代表性分析

以下是依據肯斯瓦特水文站1953—2007年共計55年的洪峰數據繪制的一系列曲線圖，從逐年洪峰流量過程線(見圖2)、洪峰流量模比系數差積曲線(見圖3)和洪峰流量模比系數逆累進均值曲線(見圖4)上可以看出，這系列洪峰曲線圖囊括了大、中、小三類洪峰點[2]，由此說明現有洪水系列總體而言具有較好的代表性。

圖2 肯斯瓦特站逐年洪峰流量過程線

圖3 肯斯瓦特站洪峰流量模比系數逆累進曲線

圖4 肯斯瓦特站洪峰流量模比系數差積曲線

3.4.2 設計洪水過程線計算

結合肯斯瓦特斷面歷史洪水調查成果，觀察折線圖峰量變化關系并對1906年和1940年歷史洪水各時段洪量進行了插補[3]加入，隨后將這兩年的歷史洪水成果與1999年洪水進行第一至第三的等級排序，設計洪水計算時，重現期分別定為100年、50年和30年。根據肯斯瓦特水文站斷面1953—2007年共55年實測洪水資料與1906年、1940年歷史洪水成果資料，對肯斯瓦特斷面設計洪水進行頻率計算。連續洪水系列按下列數學期望公式[4]計算經驗頻率:

式中Pm——第m位洪水的經驗效率；

m——洪水峰(量)值按大小順序排位,m=0,1,2,…,n;

n——洪水峰(量)系列長度。

特大洪水經驗頻率采用下式計算：

式中M——特大值順序由大到小排位;

N——調查洪水考證期。

對于剔除特大值后的洪水系列,經驗頻率則采用下式計算:

式中a——特大洪水個數;

m=L+1,……,n;

L——實測連續系列中特大洪水個數。

統計參數采用矩法初步估算；肯斯瓦特斷面歷史與實測特大洪水峰、量統計見表4，P-Ⅲ型曲線適線、設計洪峰和各時段洪量計算成果見圖5～圖8。

表4 肯斯瓦特斷面歷史與實測特大洪水峰、量統計

圖5 肯斯瓦特站最大洪峰洪量頻率曲線

圖6 肯斯瓦特站最大24h洪量頻率曲線

圖7 肯斯瓦特站最大3日洪量頻率曲線

圖8 肯斯瓦特站最大15日洪量頻率曲線

典型洪水過程線需按照高精度、高度代表性和高影響力度三種指標[5]來選取，此項工程如實考慮了上述三種指標并選取了符合標準的線型。通過對肯斯瓦特站近50年實測洪水過程線的分析，認為1996年洪水滿足上述要求，因此在本階段工作中以1996年洪水過程線作為設計洪水的典型線。利用同頻率法計算設計洪水過程線，接著根據系列峰、量頻率求得確定的各重現期的設計值，洪峰與各時段洪量分別采用不同的縮放倍比，采用同頻率法[6]推求設計洪水過程線。首先對洪峰的洪量進行單位換算，然后經分析選定典型洪水過程線，通過面積包圍法計算各時段洪量，從而推算各時段放大倍比K。K值的計算公式如下：

最大1日洪量的放大倍比K1為

最大3日洪量的放大倍比K3-1為

最大7日洪量的放大倍比K7-3為

洪峰的放大倍比KQ為

式中Qmd——典型洪水洪峰流量,m3/s；

Qmp——設計洪水洪峰流量,m3/s；

W1d——典型洪水最大1d洪量,106m3;

W1p——設計洪水最大1d洪量,106m3;

W3d、W3p、W7d、W7p以此類推。

縮放系數K值計算成果和斷面設計洪水線結果見表5(截取部分)。

表5 肯斯瓦特斷面設計洪水縮放系數(K值)計算

4 結 論

瑪河流域的防洪規劃洪水計算斷面高度參考了肯斯瓦特水文站的水文資料，結合經驗公式和同頻率分析法求得了肯斯瓦特斷面設計洪水過程線，為瑪納斯河流的防洪規劃和工程設計提供了參考。主要成果體現在以下三點：

a.通過提取肯斯瓦特水文站實測的斷面數據資料形成該河歷史洪峰流量，接著用數學方法算出斷面洪峰流量并建立了洪峰流量關系圖，最后將關系圖分組整理制成了分組別對照表。

b.通過同頻率放大法，得到放大頻率K值，在基于K值的基礎上得到肯斯瓦特斷面設計洪水過程線。瑪納斯河防洪是一個整體的、系統的工程體系，本次基于肯斯瓦特站的水文分析，為瑪納斯河防洪體系基本固化了工作基礎，對于實現防洪規劃的完整性具有重要意義。

c.設計洪水過程線大量運用數學經驗公式和權威的算法進行分析計算，水利工程設計規模的確定離不開設計洪水過程線，該工程在初期求得設計洪水過程線對整個工程具有非常重要 的意義。