新疆巴音溝河山洪案例分析

馬紅剛 羅宏偉 張金寶

(新疆兵團(tuán)第八師水利工程管理服務(wù)中心，新疆 石河子 832000)

根據(jù)世界氣象組織資料，在自然災(zāi)害中，按死亡人數(shù)的比例計，山洪是最致命的災(zāi)害。山洪歷時短，洪峰流量相對較高，發(fā)生頻繁，一般規(guī)模較小。但是群發(fā)和多發(fā)的山洪災(zāi)害會嚴(yán)重影響地區(qū)發(fā)展。2018年7月31日6時至9時30分，新疆哈密市伊州區(qū)沁城鄉(xiāng)小堡區(qū)域短時間內(nèi)集中突降特大暴雨，1h最大降雨量達(dá)到110mm，落雨區(qū)射月溝水庫遭遇超標(biāo)洪水潰壩。即便是發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，面對一些局地強(qiáng)降雨，仍然會存在漏報現(xiàn)象。所以分析本地區(qū)山洪案例規(guī)律，采用相適應(yīng)的預(yù)警方案十分必要。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

巴音溝河流域遠(yuǎn)離海洋，地處歐亞大陸腹地。位于新疆天山北坡中段，新疆首府烏魯木齊以西200km，沙灣縣境內(nèi)，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，西臨奎屯河，東抵金溝河，南抵依連哈比爾尕山脈的哈爾阿特河33號冰川，與南坡喀什河發(fā)源于同一冰川，北至安集海一庫。其地理位置介于東經(jīng)84°45′～85°27′、北緯43°29′～44°58′之間。河流全程121km，出山口以上長90km，見圖1。

圖1 巴音溝河流域地理位置

1.1 水文地質(zhì)

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(bǔ)給，又有中、低山區(qū)季節(jié)性積雪和夏季降水補(bǔ)給。巴音溝河儲冰92億m3，折合水量74億m3，年平均融水1.50億～2.00億m3，徑流量中冰川融水約占25%～35%，降雨融雪混合補(bǔ)給約占45%～55%，地下水約占15%～25%。海拔3800m以上的冰川和永久性積雪為河流提供了充足的水源。所以巴音溝河既有新疆冰川融雪河流的一般規(guī)律，也有多泥沙河流的一些特性。

1.2 徑流

選取巴音溝河渠首樞紐水文站年徑流量數(shù)據(jù)代表巴音溝河流域年徑流量。經(jīng)統(tǒng)計分析，巴音溝河流域1956—2019年年平均徑流量為3.08億m3，其中春、夏、秋和冬平均徑流量分別為0.20億m3、2.23億m3、0.51億m3和0.14億m3，見圖2。最大年徑流為4.32億m3，出現(xiàn)在2007年；最小年徑流量為2.20億m3，出現(xiàn)在1992年，平均年徑流量為3.08億m3。

圖2 巴音溝河流域年內(nèi)各月徑流變化特征

1.3 降雨

由巴音溝河渠首樞紐水文站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(1988—2010年)可知：巴音溝河渠首樞紐水文站多年年平均降水量為240.6mm，春季、夏季、秋季和冬季多年平均降水量分別為70.03mm、95.91mm、48.85mm和25.80mm，見圖3。

圖3 巴音溝河流域年內(nèi)各月降雨變化特征

自動雨量站數(shù)據(jù)實時降雨數(shù)據(jù)選用新疆氣象局?jǐn)?shù)據(jù)(2015—2019年)，自動雨量站共三處，從上游往下分別為：巴音溝牧場自動雨量站，海拔1675m，位于巴音溝河干流的烏蘇市巴音溝河牧場內(nèi)；鹿角灣自動雨量站，海拔2186m，位于巴音溝河支流附近的沙灣縣鹿角灣景區(qū)內(nèi)；巴音山莊自動雨量站，海拔844m，位于巴音溝河渠首樞紐水文站的巴音山莊景區(qū)內(nèi)，見圖4。

圖4 巴音溝河流域自動雨量站地理位置

1.4 泥沙

巴音溝河連續(xù)21年輸沙模數(shù)平均值達(dá)到1060t/km2，是天山北坡徑流懸移質(zhì)泥沙輸出模數(shù)的高值中心。年均輸沙量167萬t,巴音溝河平均含沙量5.67kg/m3，遠(yuǎn)高于北疆其他河流。巴音溝河多年平均推移質(zhì)占懸移質(zhì)總量的14.6%。巴音溝河渠首以上20km，為兩河匯流口與干流成90°的深“V”形垂直河岸獨特地質(zhì)景觀——安集海大峽谷，見圖5。右側(cè)河流為巴音溝牧場方向干流，巴音溝牧場位于上游17km處。中間河流為鹿角灣方向小河，鹿角灣位于上游18km處，左側(cè)河流為上游兩河匯流后的河流。

圖5 巴音溝河流域匯流口安集海大峽谷

1.5 洪水

選取巴音溝河渠首樞紐水文站徑流量代表巴音溝河流域洪峰。經(jīng)統(tǒng)計分析可知，巴音溝河流域近60年(1956—2019年)最大洪峰為339m3/s，出現(xiàn)在2003年；第二大洪峰為325m3/s，出現(xiàn)在1967年，見圖6。

圖6 巴音溝河逐年最大洪峰年際變化特征

1.6 洪水類型

冰川融雪型洪水多出現(xiàn)在6月中旬至8月下旬，由高山冰川和積雪融化形成，洪水過程與升溫過程關(guān)系密切，并隨氣溫變化具有明顯的一日一峰現(xiàn)象，整個洪水過程在汛期6—8月持續(xù)重復(fù)發(fā)生。主要影響因素為氣溫。

降雨型洪水多出現(xiàn)在5月下旬至8月下旬；洪水過程單一，洪峰過程陡漲陡落，總歷時較融雪型洪水為短，暴雨洪水峰型尖瘦，陡漲陡落，突發(fā)性強(qiáng)。

降雨及冰川融雪混合型洪水多出現(xiàn)在7月中旬至8月上旬。洪水過程兼顧以上2種洪水特征。為連讀多日循環(huán)過程，一日出現(xiàn)多個峰。產(chǎn)生洪峰前，上游發(fā)生了降雨。漲水快，落水緩慢。

2 典型山洪案例

2.1 2016年山洪案例

2016年6月29日0時洪峰86.17m3/s。山洪發(fā)生前，上游4h降雨超過10mm,其中山洪發(fā)生前2h，1h降雨超過8mm,是誘發(fā)此次山洪主要原因，洪水特征滿足降雨型山洪特征。其中實時雨量提前2h預(yù)警,見圖7。

圖7 2016年6月29日雨洪圖

2016年7月7日15時洪峰106.96m3/s。洪水急漲緩落特征明顯，其中山洪發(fā)生前2h，鹿角灣1h降雨超過10mm,山洪發(fā)生前10～14h持續(xù)降雨6mm,是誘發(fā)此次山洪主要原因，洪水特征滿足混合型山洪特征。其中山洪災(zāi)害氣象提前23h預(yù)警，實時雨量提前2h預(yù)警，見圖8。

圖8 2016年7月7日雨洪圖

2.2 2017年山洪案例

2017年6月22日22時洪峰104.69m3/s。山洪發(fā)生前3h，1h降雨超過38mm,是誘發(fā)此次山洪主要原因，洪水特征滿足降水型山洪特征。其中實時雨量提前3h預(yù)警，見圖9。

圖9 2017年6月22日雨洪圖

2017年6月24日22時30分，洪峰144m3/s。巴音溝牧場1h降雨超過17mm,是誘發(fā)此次山洪主要原因，洪水特征滿足降水型山洪特征。其中實時雨量提前6h預(yù)警。此次洪水與上次洪水相隔1天，降雨量小洪峰大，見圖10。

圖10 2017年6月24日雨洪圖

2017年7月15日1時洪峰108m3/s。洪水急漲緩落特征明顯，其中山洪發(fā)生前4h，巴音溝牧場1h降雨超過12mm,3h降雨超過23mm，山洪發(fā)生前4h，鹿角灣持續(xù)1h降雨5.8mm，是誘發(fā)此次山洪主要原因，洪水特征滿足混合型山洪特征。其中山洪災(zāi)害氣象提前23h預(yù)警，實時雨量提前7h預(yù)警，見圖11。

圖11 2017年7月15日雨洪圖

2.3 2018年山洪案例

2018年8月13日17時洪峰92m3/s。洪水特征滿足降水型山洪特征。洪水發(fā)生前，上游兩處雨量站無明顯降雨過程。其中山洪災(zāi)害氣象提前23h預(yù)警，見圖12。

圖12 2018年8月13日雨洪圖

2018年8月22日2時洪峰59m3/s。洪水急漲緩落特征明顯，其中山洪發(fā)生前4h，巴音溝牧場1h降雨超過6mm，是誘發(fā)此次山洪主要原因，洪水特征滿足混合型山洪特征。其中山洪災(zāi)害氣象提前8h預(yù)警，實時雨量提前4h預(yù)警，見圖13。

圖13 2018年8月22日雨洪圖

2.4 2019年山洪案例

2019年6月23日2時洪峰50m3/s。洪水急漲急落特征明顯，其中山洪發(fā)生前5h，巴音溝牧場2h降雨超過19mm以及鹿角灣1h降雨超過18mm，是誘發(fā)此次山洪主要原因，洪水特征滿足降雨型山洪特征。其中山洪災(zāi)害氣象提前8h預(yù)警，實時雨量提前5h預(yù)警，見圖14。

圖14 2019年6月23日雨洪圖

2019年7月5日21時洪峰70m3/s。洪水急漲急落特征明顯，其中山洪發(fā)生前5h，巴音溝牧場1h降雨超過14.9mm，是誘發(fā)此次山洪主要原因，洪水特征滿足降雨型山洪特征。其中山洪災(zāi)害氣象提前27h預(yù)警，實時雨量提前5h預(yù)警，見圖15。

圖15 2019年7月5日雨洪圖

2019年7月10日20時30分洪峰57m3/s。洪水急漲急落特征明顯，山洪發(fā)生前5h鹿角灣降雨5mm，是誘發(fā)此次山洪主要原因。洪水特征滿足降雨型山洪特征。其中山洪災(zāi)害氣象提前3.5h預(yù)警，見圖16。

圖16 2019年7月10日雨洪圖

2019年8月1日22時洪峰49m3/s。洪水急漲急落特征明顯，其中山洪發(fā)生前5h，巴音溝牧場2h降雨8mm，是誘發(fā)此次山洪主要原因，洪水特征滿足降雨型山洪特征。其中山洪災(zāi)害氣象未預(yù)警，實時雨量提前5h預(yù)警，見圖17。

圖17 2019年8月1日雨洪圖

2019年8月5日22時洪峰49m3/s。洪水急漲急落特征明顯，其中山洪發(fā)生前5h，鹿角灣1h降雨超過6.2mm，是誘發(fā)此次山洪主要原因，洪水特征滿足降雨型山洪特征。其中山洪災(zāi)害氣象未預(yù)警，實時雨量提前5h預(yù)警，見圖18。

圖18 2019年8月5日雨洪圖

3 山洪分析

3.1 降雨實時監(jiān)測

數(shù)據(jù)來源于新疆氣象臺。利用上游易發(fā)生洪水區(qū)域的自動雨量站監(jiān)測1h、3h、6h等的實時降雨數(shù)據(jù)對比以往洪水?dāng)?shù)據(jù)或該河段推算的臨界雨量指標(biāo)，進(jìn)行是否發(fā)生洪水判斷，然后根據(jù)洪水發(fā)生位置，推算洪水到達(dá)保護(hù)位置的時間，然后進(jìn)行山洪預(yù)警。

3.1.1 流速計算

由于上游洞子渠渠首洪水到達(dá)巴音溝河渠首歷時為50min，河道長度為7250m，流速為2.42m/s。由于安集海大峽谷洪水到達(dá)巴音溝河渠首歷時為150min，河道長度為21890m，流速為2.43m/s。河道內(nèi)洪水的流速采用2.43m/s。鹿角灣到安集海大峽谷河段河道縱坡較大，采用2倍普通河道流速4.86m/s。

3.1.2 流程計算

巴音溝牧場到達(dá)巴音溝河渠首河道長度為38370m，洪水到達(dá)時間為4h23min。由于自動雨量站數(shù)據(jù)更新時間為1h。根據(jù)實際經(jīng)驗，巴音溝牧場洪水預(yù)警時間為4～6h。

鹿角灣到安集海大峽谷河道長度為17550m，洪水到達(dá)時間為4h23min。洪水到達(dá)安集海大峽谷時間為58min，到達(dá)巴音溝河渠首時間為3h28min。根據(jù)實際經(jīng)驗，鹿角灣洪水預(yù)警時間為2～4h。超過山洪預(yù)警上限時間山洪未到達(dá)，可以解除山洪防御狀態(tài)。同時根據(jù)山洪到達(dá)時間可以判斷山洪發(fā)生在巴音溝牧場還是鹿角灣。

3.1.3 實時降雨監(jiān)測山洪預(yù)警效果

實時降雨監(jiān)測山洪預(yù)警效果見表1。

表1 2016—2019年山洪預(yù)警成功率統(tǒng)計

3.2 山洪災(zāi)害氣象預(yù)警

數(shù)據(jù)來源于山洪災(zāi)害防治網(wǎng)。2016年汛期，研究區(qū)新疆天山北麓中段山洪災(zāi)害氣象預(yù)警9次，分別為：6月22日，7月5日，7月6日，7月8日，7月14日，7月22日，7月28日，7月31日，8月27日。2017年汛期2次，分別為：8月11日，8月17日。2018年汛期5次，分別為：6月15日，6月16日，6月20日，7月30日，8月21日；2019年汛期4次，分別為：7月4日，7月10日，8月9日，8月17日，見表2。

表2 2016—2019年山洪災(zāi)害氣象預(yù)警成功率統(tǒng)計

4 結(jié) 語

本文利用山洪實時觀測和基于山洪災(zāi)害氣象預(yù)警手段，以新疆天山北坡中小河流巴音溝河2016—2019年汛期實測山洪為案例，分析對比山洪實時預(yù)警、山洪災(zāi)害氣象預(yù)警與實測洪水的預(yù)警情況之間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

a.新疆天山北坡絕大多部分山洪是由海拔2400m以下局地短時間強(qiáng)降雨形成的。降雨實時監(jiān)測可以預(yù)測大部分的山洪,并且發(fā)現(xiàn)通過監(jiān)測研究區(qū)40km處發(fā)生的降雨可以為下游提供2～6h的山洪預(yù)警和響應(yīng)時間，應(yīng)作為山洪預(yù)警的主要手段。山洪災(zāi)害氣象預(yù)警可對高山區(qū)降雨形成的山洪進(jìn)行預(yù)警，應(yīng)作為輔助山洪實時監(jiān)測的手段。

b.同時發(fā)生降雨實時監(jiān)測預(yù)警和山洪災(zāi)害氣象預(yù)警時，山洪發(fā)生概率加大。已經(jīng)發(fā)生過山洪，再次低強(qiáng)度降雨，山洪發(fā)生概率加大。自動雨量站1～3h累計降雨超過10mm,或者多站1h降雨同時超過6mm,山洪發(fā)生概率加大。

c.由于自動雨量站的數(shù)據(jù)是1h更新一次，所以降雨實時監(jiān)測無法具體到某一降雨的具體時間，預(yù)警存在誤差。建議數(shù)據(jù)0.5h更新一次，同時建議在海拔2400～3800m增設(shè)自動雨量站，減少監(jiān)測盲區(qū)。

d.實時雨量數(shù)據(jù)和山洪災(zāi)害氣象預(yù)警信息都可以在公開平臺上免費查詢，可以為干旱區(qū)冰川山區(qū)無預(yù)警中小河流和中小水庫提供一種新的山洪預(yù)警解決方案，避免或減輕山洪災(zāi)害損失。

e.現(xiàn)階段研究只解決了山洪何時發(fā)生和山洪何時到達(dá)的問題，并沒有解決區(qū)域降雨量形成山洪洪量和洪峰的問題，期待對此進(jìn)行進(jìn)一步研究。