淺論無資料地區(qū)采用氣溫推求設計洪量的分析計算

(新疆阿勒泰地區(qū)水利水電勘測設計院，新疆阿勒泰 836500)

吉木乃縣地處新疆維吾爾自治區(qū)西北邊陲，西與哈薩克斯坦交界，南與和布克賽爾蒙古自治縣為鄰，戰(zhàn)略位置十分重要。吉木乃縣城 (即托普鐵熱克鎮(zhèn))所處拉斯特河流域每年洪水上漲，洪水泛濫，水渠、公路常被沖毀，給城市居民生命財產(chǎn)、基礎設施造成很大損失。隨著吉木乃縣城市經(jīng)濟的發(fā)展，洪水災害所帶來的一系列問題也愈來愈突出，群眾迫切要求對拉斯特河的洪水進行治理。由于該地區(qū)處地偏遠，無長系列水文資料，僅有較完整的長系列氣溫資料，故在洪水分析計算時采用積溫對洪水進行分析計算，在后期的運行實踐中說明該方法取得的成果是正確的。

1 概況

1.1 城市所在地流域自然地理概述

吉木乃縣城位居拉斯特河流域，流域地理坐標為北緯 47°00'～ 47°59'，東經(jīng) 85°33'～ 87°09'。河流發(fā)源于薩吾爾山脈的木斯島冰峰。山脈平均海拔 (黃海標高下同)3200m以上，最高峰3787.3m。山體南陡北緩，海拔3000m以上終年積雪不化，為現(xiàn)代冰川，冰川覆蓋面積18.4km2，山脈為東西走向。山體向下是受冰雪消融影響的分化活動地帶，往北依此為亞高山草甸的一級平臺、山地草甸植被的二級侵蝕剝蝕平臺和海拔1200～1800m草原植被地勢趨于平坦的三級平臺河谷。山體以下的三級平臺河谷是廣闊的山洪沖積平原。

拉斯特河流域面積837.5km2，河長79.7km。干流科克克也木也爾控制集水面積262km2，干流河長26km;干流科克克也木也爾至吉木乃縣城紅山頭，流域集水面積583.5km2，干流河長49km。拉斯特河水流經(jīng)吉木乃縣城，穿過阿克塔木流入北沙窩的科克舍木后，在戈壁沙漠中消失，年徑流量均值3858萬m3，流量均值1.22 m3/s。

1.2 流域特性

拉斯特河自源頭至科克舍木，流域平均寬度4～12km，科克克也木也爾以上4～7km;科克克也木也爾至紅山頭4km;紅山頭以下12km。流域長度約80km。流域內(nèi)不同河段特性是:面積坡度Sf(m/km2)科克克也木也爾以上干流為8.7，科克克也木也爾以下干流在1.4～5.4之間;流域平均坡度SR(m/km)科克克也木也爾以上為79，以下為14.5～23，流域形狀系數(shù)0.13。

1.3 氣象

拉斯特河流域地處歐亞大陸腹地，遠離海洋，氣候干燥，屬大陸性北溫帶寒冷高原性氣候。氣候特征為春旱多風，夏季涼爽，秋季短暫，冬季寒冷而漫長，降水量少，蒸發(fā)量大，日照充足，無明顯的四季之分，僅有冷暖之別。

1.3.1 氣溫

據(jù)吉木乃縣氣象站實測資料統(tǒng)計分析，多年平均氣溫為3.5℃，極端最高氣溫37.2℃，極端最低氣溫－38.5℃，最熱月為7月，最低月為1月。吉木乃縣氣溫日變化顯著，氣溫的年平均日較差為11.4℃，最大日較差為24.4℃，累計年平均年較差為33.5℃，年氣溫各月及日差分配統(tǒng)計見表1。

1.3.2 降水

吉木乃縣地處拉斯特河流域，南面為薩吾爾山脈，北部為北沙窩戈壁沙漠，自然降水少，且分布極不均勻，總的特點是:南多北少，隨海拔增加而增加，據(jù)吉木乃縣志，平均每升高100m，年降水量增加3～5mm，薩吾爾山區(qū)海拔1200m以上最大降水帶內(nèi)估計可達300～400mm，多年平均降水量為190mm，各月分配見表1。

表1 吉木乃縣年氣溫各月、日差分配統(tǒng)計及降水量統(tǒng)計

降水量大于0.1mm的天數(shù)為103天，大于5mm的為11天。

吉木乃縣境內(nèi)連續(xù)降水日最長達8天，連續(xù)無降水日最長達32天。降雪是吉木乃縣另一特征，據(jù)統(tǒng)計，年均降雪日數(shù)為51.2天，降雪量為55.7mm，出現(xiàn)日期在8月下旬至次年6月初，平均初日為9月29日，平均終日為5月11日?？山笛┤諗?shù)225.4天。

1.3.3 積溫

吉木乃縣大于等于0℃的初日為4月7日，終日為10月21日。大于等于0℃以上的積溫為2822.3℃，最高年份為3543.2℃，最低年份為2521.2℃，大于等于10℃的初日為5月16日，終日為9月16日，大于等于 10℃的積溫為 2233.7℃，最高年份為2641.8℃，最低年份為1788.8℃。積溫的分布特點是由南向北遞增。地溫變化趨勢與氣溫基本一致，但地表溫度的振幅大于氣溫，隨深度增加，振幅逐漸平緩，時間滯后，地表最高溫度多出現(xiàn)在7月。

2 資料收集和復核

2.1 水文站基本情況

拉斯特河上游，曾設科克克也木也爾水文站，觀測項目有水位、流量、氣溫、降水量等?？瓶丝艘材疽矤栒揪嗉灸丝h城約21km，集水面積262km2，海拔1458.5m(黃海標高，下同)。該站于1980年9月由新疆維吾爾自治區(qū)水利廳設立并開始觀測，1993年停測，歷時13年。

2.2 吉木乃縣氣象站

1959年設立氣象站，原址在離吉木乃縣城32km的托斯特鄉(xiāng)，1962年遷至縣城觀測至今。吉木乃氣象站為國家基本站，一級站，業(yè)務隸屬國家氣象局領導。觀測項目主要有氣溫、降水量、蒸發(fā)量、氣壓、相對溫度、地面溫度，風向風力等。自1962年至今，資料連續(xù)、完整，代表性較好。

3 科克克也木也爾站洪水計算

3.1 洪水成因

拉斯特河徑流主要來源于降雨和季節(jié)性積雪融水，因此，拉斯特河的洪水成因也主要是夏季暴雨和季節(jié)性積雪融水，加上薩吾爾山冰川覆蓋面積較大，當遇高溫及連續(xù)性降雨時，即會形成較大洪水。高山永久性積雪和冰川的發(fā)育對拉斯特河洪水有一定影響。山泉、地下水補給雖占有一定比例，但其對徑流補給相對穩(wěn)定，不足以形成洪水。

拉斯特河洪水從成因和發(fā)生時間上可以分為:春季末期或夏季初期的季節(jié)性積雪融水型洪水;夏季暴雨型洪水;降雨、融雪混合型洪水。積雪、融水型洪水多發(fā)生在5～6月，高山積雪隨著氣溫的逐漸升高，加速消融，形成融雪型洪水，這種洪水發(fā)生的頻率較高，但洪峰不大;暴雨融雪混合型洪水一般發(fā)生在7～8月，連續(xù)降雨和高溫天氣，造成上游冰雪融化，與降雨干支流迅速匯流，形成洪水，快速傳遞到中下游產(chǎn)生暴雨融冰雪混合型洪水，此類洪水發(fā)生幾率小，但洪峰大。

3.2 洪水資料

3.2.1 實測資料

科克克也木也爾水文站有1981～1993年13年觀測資料，洪水資料系列連續(xù)，基本上達到水文分析計算規(guī)范要求。經(jīng)調(diào)查，水文站上游基本沒用水分水情況，故不進行洪水還原計算。

3.2.2 歷史洪水調(diào)查

2002年7月23日洪水:科克克也木也爾水文站洪峰流量為196m3/s，洪水到達吉木乃縣城河段，最大洪峰約為142m3/s，相當于50年一遇。

1948年洪水:吉木乃縣城河段估算洪峰不小于120m3/s，按河道削峰率20%考慮，反推科克克也木也爾水文站斷面為162.6m3/s，相當于30年一遇。

3.3 設計洪峰計算

3.3.1 洪水系列

利用科克克也木也爾水文站實測的1981～1993年洪水系列并考慮調(diào)查洪水作為不連續(xù)系列洪水進行計算。

3.3.2 設計洪峰流量經(jīng)驗頻率公式

我國《設計洪水規(guī)范》規(guī)定，不連續(xù)系列的經(jīng)驗頻率也采用頻率次序統(tǒng)計量的數(shù)學期望確定，即a個特大歷史洪水的經(jīng)驗頻率為

式中 n——調(diào)查期 (長度為n年)。

3.3.3 理論頻率曲線的選用

由于經(jīng)驗頻率曲線外延困難，常借用數(shù)理統(tǒng)計學中的理論頻率來外延，以統(tǒng)一外延標準。計算中采用皮爾遜Ⅲ型曲線即P-Ⅲ型曲線。

3.3.4 統(tǒng)計參數(shù)Q0、Cv、Cs的推求

采用適線的方法確定，本次適線也用微機適線。經(jīng)驗頻率、理論頻率及采用值為理論頻率計算值。設計洪峰成果見表2。

表2 拉斯特河科克克也木也爾站設計洪峰成果

3.4 設計洪量

3.4.1 水文系列的延長

吉木乃縣城所在的拉斯特河上，科克克也木也爾站僅有13年水文實測資料，代表性較差。經(jīng)分析，時段洪水洪量與洪峰和日最高氣溫有較好的關系。而洪峰則與日最高氣溫和年徑流量有良好關系。因此，首先點繪年徑流量與最大洪峰以日最高氣溫作參數(shù)的相關關系圖，以不同日最高氣溫建立回歸方程式，求洪峰值，然后由洪峰與不同時段洪量建立關系再求出時段洪量值。

(1)W年－Tm－Qm相關關系的回歸方程式:

當Tm≤32℃時，Qm=119.4W年－27.51，相關系數(shù)R=0.97;

當W年≤0.3億m3時，Qm=43.66W年－4.08，相關系數(shù)R=0.97;

當36℃ ＞Tm≥32℃時，Qm=141.1W年－30.06，相關系數(shù)R=0.98;

當W年≤0.3億m3時，Qm=49.38W年－2.43，相關系數(shù)R=0.98;

當Tm≥36℃時，Qm=121.4W年－7.10，相關系數(shù)R=0.98;

當W年≤0.3億 m3時，Qm=55.9W年+12.1，相關系數(shù)R=0.98。

以上式中 Qm——洪峰流量，m3/s;

Tm——日最高氣溫，℃;

W年——年徑流量，億m3。

(2)時段最大洪量系列的延長。根據(jù)科克克也木也爾水文站實測的1981～1993年洪水資料，選擇各年時段最大1日、3日、5日、7日洪量進行統(tǒng)計和計算。拉斯特河實測年徑流量、最大洪峰和日最高氣溫統(tǒng)計及歷年最大洪量計算結(jié)果見表3。

利用表3實際量算的洪量與洪峰分別點繪1日、3日、5日、7日相關關系圖 (圖略)，然后進行回歸分析，建立回歸方程式。各時段回歸方程式如下:

最大1日洪量:W1日=0.00048Qm+0.0018，相關系數(shù)R=0.89。

式中 W1日——最大1日洪量，億m3;

Qm——年最大洪峰，m3/s，下同。

最大3日洪量:W3日=0.0012Qm+0.0024，相關系數(shù)R=0.92。

式中 W3日——最大3日洪量，億m3。

最大5日洪量:W5日=0.0013Qm+0.01，相關系數(shù)R=0.86。

式中 W5日——最大5日洪量，億m3。

最大7日洪量:W7日=0.0018Qm+0.0067，相關系數(shù)R=0.96。

式中 W7日——最大7日洪量，億m3。

經(jīng)回歸方程延長后的時段洪量系列見表4。

表3 拉斯特河年徑流量與洪峰、氣溫關系統(tǒng)計及歷年最大洪量計算結(jié)果

表4 科克克也木也爾站歷年時段最大洪量延長統(tǒng)計

3.4.2 設計時段洪量計算

根據(jù)延長后的時段洪量系列進行洪量頻率計算。

(1)設計時段洪量經(jīng)驗頻率公式。按連續(xù)系列的經(jīng)驗頻率，采用頻率次序統(tǒng)計量的數(shù)學期望確定，即

式中 P——經(jīng)驗頻率;

m——各項在系列中的位次;

n——系列項數(shù)。

(2)理論頻率曲線的選用。借用數(shù)理統(tǒng)計學中的理論頻率曲線外延，計算中采用皮爾遜Ⅲ型曲線，即P-Ⅲ型曲線，用微機進行適線。

表5 科克克也木也爾站設計洪量頻率參數(shù)及設計時段洪量頻率成果表

(3)統(tǒng)計參數(shù)W0、Cv、Cs的推求。由于時段不同，時段洪量的經(jīng)驗頻率參數(shù)和理論頻率參數(shù)也不同，計算結(jié)果見表5。

(4)設計洪量。通過經(jīng)驗頻率和理論頻率計算及理論頻率適線，統(tǒng)計參數(shù)采用理論頻率選值，計算結(jié)果見表5。

4 結(jié)語

在計算中結(jié)合拉斯特河的流域特征，以充分利用實測資料和地形資料為前提，對主要水力要素的因子進行率定，并參考有關規(guī)范確定，經(jīng)用實測資料進行驗證，說明這些計算方法是合理的，對拉斯特河較為實用。

在計算方法中，充分利用拉斯特河流域的降水、氣溫資料，研究分析了徑流與降水、氣溫間的相互關系。發(fā)現(xiàn)徑流量與降水、氣溫有十分密切的關系，認真點繪徑流量、降水、氣溫的三者關系，建立它們之間的回歸方程式，對延長徑流量、時段洪量進行頻率計算有很大的幫助。

設計洪水計算成果包括年徑流、設計洪峰、時段洪量。設計洪峰是通過洪水調(diào)查和實測資料運用理論頻率適線，時段洪量和設計洪水流量過程運用同頻率與典型年縮放法求得，滿足規(guī)范要求，所采用的參數(shù)符合新疆阿勒泰地區(qū)河流的基本特征。