新疆天山北坡巴音溝河洪水研究

馬紅剛 張金寶 賈偉康

(1.新疆石河子市巴音溝河流域管理處，新疆 石河子 832000；2.新疆石河子水利工程管理服務(wù)中心，新疆 石河子 830052)

1 引 言

天山北坡經(jīng)濟帶是“一帶一路”在新疆的核心區(qū)之一，1996年、1999年兩次群發(fā)的暴雨加冰川融水特大混合洪水，對天山北坡地區(qū)造成了很大的破壞和嚴(yán)重經(jīng)濟損失。本文通過對已經(jīng)發(fā)生的典型洪水案例進(jìn)行分析，研究洪水與氣溫和降水因素關(guān)鍵指標(biāo)之間的關(guān)系。通過監(jiān)測這些關(guān)鍵指標(biāo)，對即將發(fā)生的洪水進(jìn)行預(yù)報預(yù)警和預(yù)測，以達(dá)到減少洪災(zāi)造成損失的目的。

2 流域概況

新疆巴音溝河是天山北麓10條中小河流之一，位于新疆沙灣縣和烏蘇市的交界處，全長140km。河流發(fā)源于天山北坡依連哈比爾尕山脈哈爾阿特河33號冰川，北至準(zhǔn)噶爾盆地南緣，西臨奎屯河和四棵樹河，東抵金溝河和瑪納斯河，具有新疆冰川河流的典型特征，其地理位置介于東經(jīng)84°45′～85°27′、北緯43°29′～44°58′之間，見圖1。

圖1 巴音溝河位置

2.1 水文徑流

巴音溝河年均徑流量3.1億m3,最大年均徑流量4.33億m3(2007年)，最小年均徑流量2.2億m3(1992年)。巴音溝河發(fā)源于巴音溝河流域高山冰川，既有高山區(qū)冰雪融水洪水補給和高山區(qū)暴雨混合洪水補給，又有中低山區(qū)暴雨山洪補給和融雪洪水補給。高山冰川儲冰92億m3，折合水量74億m3，年平均融水1.50億～2.00億m3，其中冰川融水約占年徑流量的25%～35%，降雨融雪混合補給約占年徑流量的45%～55%，地下水約占年徑流量的15%～25%，中低山區(qū)暴雨山洪補給約占年徑流量的1.2%。從徑流補給組成來看，巴音溝河徑流除20%左右為地下水補給形成，其余80%徑流由洪水組成，可以說巴音溝河是洪水造就的河流。巴音溝河徑流補給組成見圖2。

圖2 巴音溝河徑流補給組成

發(fā)源于天山冰川的巴音溝河的河流年徑流主要依靠汛期6、7、8、9月高山冰川融雪洪水(含地下水)，這四個月徑流占年徑流的83%。7、8月徑流占年徑流的58%。汛期主要依靠冰川融雪洪水和地下水的穩(wěn)定補給，每年至少可達(dá)2.0億m3。而降水和暴雨引發(fā)的混合洪水徑流補給相對不穩(wěn)定，每年在0.2億～2.4億m3之間。巴音溝河月均流量變化特征見圖3。

圖3 巴音溝河月均流量變化特征

2.2 氣溫特點

依據(jù)巴音溝河渠首水文站1988—2010年氣溫數(shù)據(jù)(見圖4)可知：巴音溝河多年平均氣溫為7.19℃，春、夏、秋、冬季多年平均氣溫分別為9.03℃、23.5℃、7.91℃、-11.67℃。1月平均氣溫為全年最低值，為-14.13℃，7月平均氣溫為全年最高值，為24.32℃。

圖4 巴音溝河月均氣溫變化特征

2.3 降水特點

巴音溝河渠首水文站多年年平均降水量為240.6mm，春、夏、秋、冬多年平均降水量分別為70.03mm、95.91mm、48.85mm和25.80mm。巴音溝河夏季降雨約占全年降雨的40%，對洪水形成影響較大。巴音溝河月均降雨量變化特征見圖5。

圖5 巴音溝河月均降雨量變化特征

2.4 降水垂直地帶分布

查詢新疆氣象臺自動站數(shù)據(jù)，巴音溝河降水垂直分布整體呈“S”形，存在林線2200m和雪線附近4000m兩個降水高值區(qū)，見圖6。在海拔2200m附近，降水隨海拔的增高總體呈線性增加趨勢，每爬升100m平均降水增量為22mm，這一現(xiàn)象受地形影響較大，見圖7。水汽在行進(jìn)過程中遇高大山體阻擋被迫沿山體爬升，由于溫度降低水汽凝結(jié)形成了降水，所以在海拔2200m林區(qū)附近，形成第一個降水高值中心，水汽在繼續(xù)行進(jìn)過程中受地形起伏的影響較大，到達(dá)背風(fēng)坡的水汽減少，降水量減小。由于天山主峰繼續(xù)阻礙水汽的爬升，所以在海拔4000m迎風(fēng)坡雪線附近形成第二個降水高值中心。

圖6 巴音溝河降水垂直分布

圖7 巴音溝河縱剖面圖及垂直自然地帶

2.5 中山帶森林

森林植被受地形和氣候的影響，植被類型具有完整的山地植被垂直帶譜，由上而下為高山冰川帶、亞高山草甸帶、中山森林草甸帶、低山草原帶。在巖石裸露的陰坡有較大面積的云杉純林。天山云杉森林生態(tài)系統(tǒng)對降雨分配的影響規(guī)律為樹木蒸騰>土壤蓄水>林冠截留>土壤蒸發(fā)>地表徑流>地下徑流。天山云杉對降雨的攔蓄效果明顯。由于天山云杉森林這一“綠色水庫”對短時降雨的攔蓄效果較好，所以云杉森林林區(qū)不易發(fā)山洪。林區(qū)以上是高山草甸，由于海拔升高，溫度降低，降水以降雪的方式進(jìn)行，所以總體來說林線以上高度不易形成山洪。巴音溝河云杉森林分布見圖8。

圖8 巴音溝河云杉森林分布

3 典型洪水案例

3.1 典型低山帶融雪洪水(春洪)

2017年3月29日17時發(fā)生低山帶融雪洪水，洪峰6.2m3/s,持續(xù)洪水過程3天，見圖9。

圖9 2017年3月融雪型洪水過程

3.2 典型高山帶融雪融冰洪水

2020年8月2—11日發(fā)生高山帶冰川融水洪水，洪峰呈一日一峰一谷，連續(xù)多日重復(fù)出現(xiàn)，洪峰與洪谷比為2～2.5∶1，見圖10。

圖10 2020年主汛期典型冰川融雪洪水日變化規(guī)律

3.3 中低地山帶暴雨洪水

3.3.1 短時強降雨洪水

2017年6月22日下午，鹿角灣自動雨量站監(jiān)測到19時1h內(nèi)降雨42mm,3h后發(fā)生105m3/s洪峰，洪水5min內(nèi)從32m3/s提高到105m3/s增加73m3/s，2h后退去。1h內(nèi)降雨42mm是發(fā)生此次山洪的主要原因。此次洪水過程見圖11。

圖11 2017年6月巴音溝河1號洪水過程

3.3.2 短時弱降雨洪水

2020年8月4日下午，巴音山莊自動雨量站監(jiān)測21時發(fā)生1h內(nèi)3.3mm的弱降雨，21時30分開始漲水，洪水30min內(nèi)從28m3/s提高到70m3/s，增加42m3/s，2h后退去。洪水從降雨到發(fā)生山洪不足30min。1h內(nèi)降雨3.3.mm是發(fā)生此次山洪的主要原因。此次洪水過程見圖12。

圖12 2020年8月巴音溝河2號洪水過程

3.3.3 中低山帶暴雨+冰川融雪洪峰河道疊加洪水

2016年6月29日下午，巴音溝牧場自動雨量站監(jiān)測到22時1h內(nèi)降雨8.3mm,2h后發(fā)生86m3/s洪峰，洪水5min內(nèi)從20m3/s提高到86m3/s，增加66m3/s。1h內(nèi)降雨8.3mm是發(fā)生此次山洪的主要原因。此次洪水急漲緩落，兼具兩種洪水特征，詳細(xì)過程見圖13。

圖13 2016年6月巴音溝河1號洪水過程

3.4 混合洪水(高山暴雨+冰川融雪洪水)

1996年主汛期混合洪水。1996年7月降水量總和約為50.2mm,其中發(fā)生洪水的幾天降水量分別為16日3.2mm、17日11.8mm、18日0.7mm、19日0.6mm、20日22.8mm。大范圍低強度長時間的降雨，短時間并沒有導(dǎo)致高山區(qū)降溫，而7月下旬正值冰川融化的高峰期，降雨加速了冰川融化，導(dǎo)致新疆天山北坡發(fā)生大范圍洪水。隨著降雨的繼續(xù)，氣溫和高空氣溫下降，冰川融雪洪水減弱，雖然發(fā)生降雨和局部山洪，但是洪水總量在減弱。17日11.8mm降雨是此次洪水的主要誘因，7月下旬和8月上旬高空0℃層快速上升是導(dǎo)致冰川快速融化產(chǎn)生此次洪水的主因。此次混合洪水過程見圖14。

圖14 1996年7月混合洪水過程

3.5 突發(fā)洪水

潰壩洪水是由于擋水建筑物突然潰決發(fā)生水體突泄所形成的洪水。2003年巴音溝河由于機械故障發(fā)生過一次潰壩洪水，突發(fā)山洪不大，但是庫水疊加導(dǎo)致潰壩洪峰339m3/s，由于此次洪水是人為失誤導(dǎo)致，非自然發(fā)生，故不作重點研究。

4 洪水分析

本研究選取巴音溝河渠首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(1958—2020年，缺1981—1987年)最大洪峰為339m3/s(2003年潰壩導(dǎo)致突發(fā)洪水)；第二大洪峰為325m3/s(1967年)；最小洪峰為46.64m3/s，出現(xiàn)在1993年，逐年洪峰統(tǒng)計見圖15。

圖15 巴音溝河逐年洪峰統(tǒng)計

4.1 中低山帶融雪洪水

中低山帶(2200m以下)秋冬季降水以冰雪狀態(tài)蓄積，每年3月下旬，由于天山北坡地表氣溫持續(xù)升高，每日12—14時到達(dá)頂峰，陽坡積雪午后快速融化，當(dāng)?shù)乇矸e雪上中下溫度都超過0℃時陰坡積雪融化，緩慢匯入河道形成融雪性洪水，此類洪水的主要影響因素有：中低山帶的積雪厚度、地溫差和氣溫。巴音溝河融雪洪水洪峰一般為4～15m3/s,發(fā)生在下午18時左右，洪峰較小，洪量較小，呈急漲緩落的特征，見圖16。

圖16 2017年3月融雪洪水雪溫特征

4.2 高山帶冰川融雪洪水

隨著6月上旬氣溫持續(xù)升高，高空0℃層高度不斷升高，高山區(qū)較低冰川積雪開始融化，冰川融雪過程開始，隨著氣溫不斷升高，高空0℃層高度超過4000m，冰川融雪過程在7月底達(dá)到最高峰，隨著氣溫逐漸降低，9月下旬高山冰川融雪過程結(jié)束。汛期相近冰川的河流徑流跟隨高空0℃層最低高度變化而變化，當(dāng)高空0℃層最低高度不變或者升高時，河流徑流會發(fā)生緩慢升高，當(dāng)高空0℃層最低高度降低時，河流徑流隨后會減少。這說明高空氣溫0℃層最低高度是影響冰川融雪洪水減小的關(guān)鍵因素，見圖17。

圖17 2020年汛期高空0℃層最低高度與巴音溝河汛期徑流變化特征

2020年，利用出山口當(dāng)日氣溫變化過程模擬當(dāng)日冰川的氣溫變化過程，利用出山口流量倒推12h前冰川融雪洪水過程，可以發(fā)現(xiàn)冰川融雪洪水和日氣溫變化關(guān)系顯著。當(dāng)日氣溫在32～20℃之間連續(xù)呈一峰一谷往復(fù)規(guī)律時，冰川洪水在56～20m3/s之間連續(xù)呈一峰一谷往復(fù)變化。這說明出山口日內(nèi)氣溫變化是影響冰川融雪洪水日內(nèi)流量的關(guān)鍵因素，見圖18(巴音山莊日溫度變化數(shù)據(jù)來自石河子氣象臺巴音山莊自動氣象站，巴音溝河日流量變化數(shù)據(jù)來自巴音溝河渠首水文站)。

圖18 2020年主汛期典型日氣溫變化與冰川融雪洪水徑流變化

汛期相近的四棵樹河、奎屯河、巴音溝河、金溝河早8時流量變化，受高空氣溫0℃層最低高度變化影響，當(dāng)0℃層最低高度在3900m以上變動時，4條河流徑流隨0℃層最低高度變化總體呈緩慢上升的趨勢；當(dāng)0℃層最低高度在3900～3700m時，4條河流徑流隨0℃層最低高度變化而變化；當(dāng)0℃層最低高度突然低于3700m時，徑流會發(fā)生5天左右的低谷區(qū)，見圖19～圖20(0℃層高度數(shù)據(jù)來自石河子氣象臺，四棵樹河、奎屯河、金溝河早8時流量數(shù)據(jù)來自新疆水利廳網(wǎng)站水情日報，巴音溝河流量數(shù)據(jù)來自巴音溝河渠首水文站)。

圖19 2019汛期0℃層最低高度與天山北坡西段河流徑流變化特征

圖20 2020年汛期0℃層最低高度與天山北坡西段河流徑流變化特征

4.3 中低山帶暴雨洪水(山洪)

渠首水文站統(tǒng)計的2016—2020年巴音溝河汛期發(fā)生的20次洪水全部為山洪，全部與中低山帶降雨有關(guān)，且降雨全部發(fā)生在海拔844～2200m之間。由于海拔2200m林線以下植被覆蓋較差，午后至傍晚地表溫度高，與周邊林區(qū)溫差大，水汽被迫抬升，夏季易誘發(fā)強對流天氣，形成暴雨山洪。這一區(qū)域易發(fā)山洪，1h內(nèi)5mm以上的降雨對形成山洪影響最大，短時間降雨和此類山洪關(guān)系良好，見圖21(降雨數(shù)據(jù)來自新疆氣象臺自動雨量站)。

圖21 2015—2020年洪水統(tǒng)計

4.3.1 降雨和山洪的時間分布

中低山帶致洪降雨時間分布在13—22時，降雨集中在17—22時，洪水時間分布在14時至凌晨1時，洪水集中在19—24時。降雨和洪水之間平均有3h左右的流程時差。最快有1h最慢有6h的流程時差，說明山洪和降雨關(guān)系顯著，見圖22。

圖22 降雨時間和山洪時間變化特征

4.3.2 暴雨山洪發(fā)生區(qū)域分布

暴雨山洪發(fā)生在海拔2186m鹿角灣自動雨量站附近7次，海拔1675m巴音溝牧場自動雨量站附近6次，海拔844m巴音山莊自動雨量站及低山區(qū)4次；在中低山區(qū)，降雨量隨海拔升高而升高，山洪隨短時降雨增多呈增加趨勢；林區(qū)以上沒有發(fā)生過洪水，見圖23。

圖23 暴雨山洪發(fā)生區(qū)域

4.3.3 致災(zāi)降雨的量級

42%的山洪由10mm以上的短時強降雨形成，1h內(nèi)強度越高發(fā)生山洪的可能性越高，反之越低；32%的山洪由5～10mm的短時弱降雨形成；26%的山洪由0～5mm的短時弱降雨形成。降水較少也可能發(fā)生山洪。見圖24。

圖24 致洪降雨強度分析

4.3.4 山洪的峰值

在巴音溝河的洪水中，40%洪峰為60m3/s以下，50%洪峰為60～120m3/s，10%洪峰大于120m3/s。近5年最大山洪峰為154m3/s，發(fā)生在2016年8月7日。

4.3.5 暴雨山洪特點

巴音溝河山洪易發(fā)生在巴音山莊至巴音溝牧場和鹿角灣這一三角區(qū)域。中低山短時降雨易發(fā)山洪，雖然洪水總量只約占全年徑流的1.2%～4%，但是此類洪水從降雨發(fā)生到山洪暴發(fā)，一般在20min以內(nèi)；從降雨發(fā)生至到達(dá)引水樞紐一般在1～6h；洪水到達(dá)引水樞紐后，一般在6～20min內(nèi)，在冰川正常融水的基礎(chǔ)上漲水15～120m3/s；1～2h左右洪水會退去。在巴音溝河此類洪水每年6—8月間會發(fā)生3～6次。此類洪水的主要影響因素為上游短時降雨。由于巴音溝河山洪洪峰一般為50～160m3/s,洪水集中在19—24時，上游發(fā)生降雨1～6h后，洪水到達(dá)，洪峰急漲急落。洪峰高、洪量小是巴音溝河汛期最常見的洪水特征。

4.4 高山區(qū)暴雨+冰川融雪混合洪水

1999年7月下旬和8月上旬，巴音溝河高山區(qū)氣溫持續(xù)升高,高空0℃層快速上升，高空0℃層維持在4600m以上使高山冰川快速融化是發(fā)生此次洪水的主因。7日洪量5677萬m3，占全年徑流的14%，洪峰高、洪量大，對水利工程、橋梁、鐵路、水庫影響較大。8月降雨量全月總和大約是106mm,其中洪水發(fā)生日前一天8月1日降水量為23.8mm,8月2日降水量為1.5mm，8月3日降水量為8.2mm，8月4日降水量為5.1m，與此同時，8月1日晚至8月2日凌晨巴河源頭又下了23.8mm的中到大雨,是形成8月2日降水融雪型特大洪水的主要誘因。大范圍強降雨導(dǎo)致高山冰川加速融化，形成混合洪水。此次洪峰過程為雙峰型，7月27日96m3/s洪峰、7月27日165m3/s洪峰，與之前一天10mm和27mm的大范圍降雨相關(guān)。見圖25。

圖25 1999年8月混合洪水

瑪納斯河1999年的洪峰也呈雙峰型,第一次洪峰出現(xiàn)在7月20日,洪水形成區(qū)域集中在瑪納斯河分水嶺處。第二次洪峰出現(xiàn)在8月2日,洪峰最大流量為1095m3/s。混合洪水形成條件較為苛刻，一般要在7月15日—8月10日，此時冰川融水進(jìn)入活躍期，高空0℃層高度在雪線以上，即3900～5500m，高山區(qū)較高位置發(fā)生大范圍暴雨后,易發(fā)混合洪水。

4.5 天山北麓河流混合山洪水平方向洪水規(guī)律

無論是突發(fā)的中低山帶暴雨洪水，還是群發(fā)的高山帶暴雨混合洪水，總體來說，所有降水的運行路線均為四棵樹→奎屯河→巴音溝河→金溝河→瑪納斯河→塔西河→呼圖壁河→三屯河→頭屯河→烏魯木齊河。

5 結(jié) 論

a.在冰川融雪洪水預(yù)測方面，可利用汛期0℃層高度預(yù)報先于冰川融水洪水變化的特點，通過對0℃層高度監(jiān)測，對未來一周內(nèi)冰川融水洪水徑流過程進(jìn)行提前5～7天預(yù)測。0℃層最低高度突然降低，對徑流減小影響較大，因此應(yīng)特別關(guān)注。也可利用汛期出山口日氣溫變化模擬上游高山冰川日氣溫變化，發(fā)現(xiàn)日氣溫變化與日冰川融水過程變化相近，則通過監(jiān)測出山口氣溫變化可對日內(nèi)冰川融水過程進(jìn)行提前8～14h的短期預(yù)測。

b.在低山帶山洪預(yù)警方面，天山北坡中山帶林區(qū)對攔蓄降雨減少山洪形成起到了較為明顯的作用，據(jù)觀測，林區(qū)以上不易發(fā)生山洪。汛期重點關(guān)注低山帶三個自動雨量站，1h內(nèi)不小于5mm的降雨量導(dǎo)致山洪發(fā)生的可能性較大，可以利用1h降雨量對未來1～6h山洪進(jìn)行短期流程時間差預(yù)警。這類洪水突發(fā)性強、洪峰高、洪量小，漲水特別快落水也快。

c.在混合型洪水預(yù)警方面，每年的7月15日—8月10日是冰川融化高峰期，0℃層高度的異常升高加上全疆大范圍降雨，可能導(dǎo)致暴雨+冰川融雪洪水，這類群發(fā)洪水，洪峰高、洪量大，對工程危害最大。

d.有關(guān)天山北坡年內(nèi)汛期0℃層高度變化對冰川融水徑流變化影響的研究文獻(xiàn)較少，應(yīng)當(dāng)加大對0℃層高度的研究。