近年降雨數(shù)據(jù)對(duì)《新疆可能最大暴雨圖集》設(shè)計(jì)值的驗(yàn)證

姚鵬亮，彭 亮

(1.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052)

在中小流域上修建水利工程、交通道路的橋涵建筑、城市和工礦地區(qū)的防洪工程，均須進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，但中小流域往往缺少流量資料，通常采用暴雨途徑推求洪水的方法[1- 8]。目前規(guī)范中推薦使用的方法是推理公式法、經(jīng)驗(yàn)公式法和綜合單位線法[9]，而以上方法均需使用設(shè)計(jì)最大不同歷時(shí)降雨資料。設(shè)計(jì)降雨資料一般采用周圍氣象站或水文站等觀測(cè)的降雨資料，在參考暴雨圖集中設(shè)計(jì)成果后進(jìn)行配線。《新疆維吾爾自治區(qū)可能最大暴雨圖集》[10](以下簡(jiǎn)稱《新疆暴雨圖集》)為1983年編制完成的，采用的數(shù)據(jù)截止到1975年，距今已經(jīng)40多年了，而從1987年開始，氣候變暖，降水顯著增多[11]，《新疆暴雨圖集》中的設(shè)計(jì)成果是否能包住近年來的暴雨值，為工程提供安全的設(shè)計(jì)洪水成果，避免對(duì)設(shè)計(jì)成果產(chǎn)生很大的影響[12]，應(yīng)該進(jìn)行驗(yàn)證。

1 數(shù)據(jù)來源及篩選

暴雨圖集中采用水文站、氣象站的降雨資料年限為自建站以來至1975年。本次收集到新疆境內(nèi)19個(gè)國(guó)際氣象站的自建站以來至2017年的降雨資料，數(shù)據(jù)主要來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)[14]。該19個(gè)氣象站(見圖1和表1)分布在阿勒泰山南坡、塔城盆地、博爾塔拉河流域、伊犁河流域、天山南北坡、開都河流域、阿爾金山北坡、昆侖山北坡、帕米爾高原、東疆，基本每個(gè)區(qū)域都有一個(gè)氣象站。

2 計(jì)算方法及成果對(duì)比

最大24h降雨值仍用暴雨圖集中方法，采用最大1d降雨乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)K求得：

H24=KH日=1.13H日

實(shí)測(cè)值的分析方法參考暴雨圖集中方法，即采用PⅢ型曲線，參數(shù)中計(jì)算的均值基本不動(dòng)，用最小二乘法計(jì)算出的變差系數(shù)CV基礎(chǔ)上，進(jìn)行了協(xié)調(diào)處理，一般CV都大于計(jì)算值0.1～0.2，CV采用固定倍比，北疆和開都河流域采用CS/CV=3.5，南疆及東疆采用CS/CV=2.5。成果對(duì)比見表1。

一般在小流域修建的為中小工程，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50～100年，以下主要對(duì)50年一遇和100年一遇的設(shè)計(jì)暴雨進(jìn)行分析。表1中主要對(duì)比分析了19個(gè)氣象站的根據(jù)新疆暴雨圖集中參數(shù)采用PⅢ型曲線設(shè)計(jì)的50年一遇、100年一遇最大24h降雨值(以下簡(jiǎn)稱暴雨圖集設(shè)計(jì)值)和根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用PⅢ型曲線設(shè)計(jì)的50年一遇、100年一遇最大24h降雨值(以下簡(jiǎn)稱實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)值)。

表1 新疆境內(nèi)國(guó)際氣象站信息一覽表

圖1 新疆境內(nèi)國(guó)際氣象站分布圖

表1中差值為(暴雨圖集設(shè)計(jì)值-實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)值)/暴雨圖集設(shè)計(jì)值，對(duì)50年一遇最大24h降雨值，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)值比暴雨圖集設(shè)計(jì)值小10%以上的氣象有6個(gè)，占32%、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)值比暴雨圖集設(shè)計(jì)值相差±10%以內(nèi)的為5個(gè)，占26%,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)值比暴雨圖集設(shè)計(jì)值大10%以上的有8個(gè)，占42%。

3 成果分析及建議

對(duì)暴雨圖集設(shè)計(jì)值小于、等于、大于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)值的3種情況分別進(jìn)行分析。

(1)暴雨圖集設(shè)計(jì)值比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)值偏小，以若羌?xì)庀笳緸槔?，如圖 2所示，系列1采用實(shí)測(cè)的1954—2017年共64年的實(shí)測(cè)最大1d降雨量配線成果，系列2為暴雨圖集中給出該區(qū)域的參數(shù)配線成果。從圖中可看出系列1的10年一遇以上的降雨值大于暴雨圖集中參數(shù)配線成果。分析該類氣象站，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域測(cè)站較少，若羌?xì)庀笳驹谥車?92km以內(nèi)無降雨觀測(cè)站。編制暴雨圖集時(shí)采用的暴雨系列有限，僅從1956—1975年，調(diào)查的洪水資料較少。近幾年該氣象站的觀測(cè)資料突破了歷史的極值，如在若羌?xì)庀笳緦?shí)測(cè)系列中1981年7月4—5日發(fā)生了一次特大暴雨為73.5mm，該量是若羌?xì)庀笳径嗄昶骄涤炅康?倍。這些實(shí)測(cè)極值明顯改變配線成果，顯著增大設(shè)計(jì)降雨成果。

若在該區(qū)域進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在工程區(qū)域進(jìn)行歷史暴雨、洪水調(diào)查與歷史文獻(xiàn)的搜集整理，或者對(duì)設(shè)計(jì)洪水成果進(jìn)行加大處理，以確保設(shè)計(jì)洪水成果安全性。

表2 暴圖集中設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的最大24h降雨成果對(duì)比表

圖2 若羌?xì)庀笳镜淖畲?4h降雨頻率曲線圖

(2)暴雨圖集設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)值接近的，以喀什氣象站為例，如圖 3所示，系列1采用1952—2017年共66年的實(shí)測(cè)最大1d降雨量的配線成果，系列2為暴雨圖集中給出該區(qū)域的參數(shù)配線成果，從圖中可見系列1與系列2成果相近。分析該類氣象站區(qū)域，該區(qū)域有3～5個(gè)氣象、水文觀測(cè)站，且該區(qū)域的觀測(cè)站高差較小，可以相互佐證，暴雨圖集中配線參數(shù)綜合了該區(qū)域各氣象站降雨觀測(cè)資料，另外近幾年的該站的降雨資料的最大值，沒有突破暴雨圖集中在該區(qū)域觀測(cè)站點(diǎn)的歷史極大值。如在近幾年的氣象數(shù)據(jù)中，喀什市氣象站2004年5月發(fā)生一場(chǎng)39.9mm的降雨，雖然大于暴雨圖集中喀什市氣象站1964年5月25.1mm的降雨，但是仍小于距喀什市70km處岳普湖氣象站1972年7月41.0mm的降雨。

圖3 喀什氣象站的最大24h降雨頻率曲線圖

圖4 烏魯木齊氣象站的最大24h降雨頻率曲線圖

若在該區(qū)域進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)值與暴雨圖集設(shè)計(jì)值相近，相互佐證后可以采用兩者中較大的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。

(3)暴雨圖集設(shè)計(jì)值高于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)值的情況，以烏魯木齊為例，如圖 4所示，系列1采用1951—2017年共67年實(shí)測(cè)最大1d降雨數(shù)據(jù)的配線成果，系列2為新疆暴雨圖集中給出該區(qū)域的參數(shù)配線成果，從圖中可見系列1成果明顯低于系列2成果。分析該類氣象站的區(qū)域，該區(qū)域一般降雨測(cè)站較多，且分布在山區(qū)、丘陵、山前平原不同的地帶，暴雨圖集中設(shè)計(jì)時(shí)綜合了該區(qū)域各氣象站降雨觀測(cè)資料，受同區(qū)域里高海拔測(cè)站降雨較大的影響，平原區(qū)的測(cè)站很難突破暴雨圖集中該區(qū)域的歷史極值。

如在近幾年的氣象數(shù)據(jù)中，烏魯木齊氣象站1978年6月發(fā)生一場(chǎng)57.7mm的降雨，雖然大于新疆暴雨圖集中烏魯木齊氣象站1963年6月29.1mm的降雨，但是仍小于距烏魯木齊氣象站約52km處英雄橋水文站1953年8月100mm的降雨，也小于距烏魯木齊氣象站約35km天池氣象站1942年9月80mm的降雨，而在暴雨圖集中以上3個(gè)降雨測(cè)站幾乎均被劃分在同一區(qū)域里。

建議采用該區(qū)域降雨資料時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該分析該區(qū)域氣候及降雨特性，分析工程的海拔高程，確定采用與建設(shè)工程高程相近的氣象站降雨數(shù)據(jù)。如烏魯木齊河流域若在上游大西溝修建水利工程等，則應(yīng)該選用英雄橋水文站觀測(cè)的降雨數(shù)據(jù)并參考暴雨圖集中的參數(shù)，雖然僅相距50km，但與烏魯木齊氣象站的高差為1000m，已經(jīng)遠(yuǎn)超過了暴雨移置的高差為300m的限制[15]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過增加氣象站近期的降雨量資料系列的設(shè)計(jì)成果與資料僅到1975年降雨系列成果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)若羌、吐魯番、巴里坤等參數(shù)偏小，和田、烏魯木齊、阿勒泰地區(qū)等參數(shù)偏大。建議在這些地區(qū)參考使用《新疆暴雨圖集》時(shí)應(yīng)采用搜集最新觀測(cè)或調(diào)查到的雨量資料對(duì)圖集中的等值線圖進(jìn)行檢驗(yàn)后使用，應(yīng)參考地勢(shì)相似地區(qū)后嚴(yán)格遵守暴雨移置的高差的限制等。以上僅是部分資料根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的驗(yàn)證成果，愿能引起廣大水文專業(yè)技術(shù)人員對(duì)該問題引起重視。