昌吉市三工灘前山區洪水特征及水文資料“三性”分析

李 軍

(新疆昌吉水文勘測局,新疆 昌吉 831100)

1 概述

三工灘前山區位于昌吉市三工鎮南部山前沖洪積扇上,介于頭屯河與三屯河兩流域之間的低山區出山口以下的前山丘陵區,東與頭屯河相鄰,西以三屯河為界。流域最高海拔1 480 m,東西長約15 km,南北寬約10 km,地勢南高北低,坡面寬廣、坡降大,總的趨勢是中間高兩邊低。坡面多為漫灘,坡面干溝形成的大多是寬淺式河道,植被覆蓋度低,主要以蒿類和狐茅草為主。土壤類型主要是沖積—洪積物上發育形成的灰漠土,并有鹽堿化現象。下游是三工鎮和昌吉市城區,受春末夏初強對流天氣形成的局地融雪和暴雨洪水影響,上游坡面洪水極易對下游造成威脅。對三工灘前山區洪水成因及類型進行研究,對區域暴雨洪水預警及保護下游城鎮基礎設施、群眾生命財產安全具有重要意義。

2 研究區水文站概況

研究區由10余條無名干溝組成,均為季節性沖溝,自南向北流經三工灘,除春季產生融雪性洪水和夏季暴雨形成的洪水外,其余大部分時間河溝干涸。這10余條無名干溝均發源于天山北麓的頭屯河流域至三屯河流域之間、昌吉市以南低山地帶,源頭無終年冰川和積雪。三工灘沒有設立過水文站點。研究區內最能反映流域氣象水文條件的現有水文站為三屯河流域碾盤莊水文站。碾盤莊水文站是國家基本水文站,于1956年7月22日設立,地理坐標為東經86°57′,北緯43°43′,測站高程1 100 m,集水面積1 636 km2。觀測項目包括水位、流量、懸移質泥沙、水溫、岸溫、降水、蒸發、水化學等。為研究三工灘前山區洪水特征,針對水文資料缺乏的問題,選取收集到的三屯河流域碾盤莊水文站的長系列實測水文資料進行整理分析。

3 研究區洪水成因與類型分析

3.1 洪水成因

三工灘地處前山丘陵地區,南有高大的天山阻擋,各河溝分布在海拔800～1 480 m之間的中低山區,呈南北走向。而西方和西北方向東移的小尺度天氣系統受地形抬升影響,在三工灘迫使氣流產生氣旋性切變,有利于氣流質量輻合,使系統發展加強產生局地性大暴雨,所以三工灘前山區洪水主要以暴雨洪水和季節性融雪洪水為主,出現時間在春季5月和夏季的6-8月間,受暴雨過程影響,洪水過程多漲落劇烈。另外,由于三工灘所處的天山山脈第三紀泥巖物理風化強裂、地形破碎,地面坡度大、組成物質疏松、植被條件差,且中新生代地層中含有較多鹽分,所以三工灘暴雨洪水溶解大量的鹽分,使河水含沙量增大、礦化度增高。暴雨山洪會挾帶大量泥沙及鹽分注入下游河道,對下游河道中的水利工程與兩岸鄉村、農田以及道路交通安全造成較大危害。

3.2 洪水類型

三工灘洪水一般發生在春季和夏季,春季洪水以積雪消融水為主;夏季洪水主要是暴雨洪水。根據三工灘不同洪水成因,洪水可分為三種類型:季節積雪融水型洪水、暴雨型洪水和以上兩種洪水疊加形成的混合型洪水[1]。

3.2.1 季節性積雪融水型洪水

研究區冬季穩定積雪隨著春季氣溫的回升,在一段時間內消融形成融雪洪水。季節積雪融水大小與積雪覆蓋的面積和厚度以及氣溫、風速等氣象因素密切相關。

3.2.2 暴雨型洪水

局地暴雨具有歷時短、降水量集中、強度大、籠罩面積小的特點。這類暴雨可在局部地區,尤其是像天山北坡前山丘陵地區的中、小河流形成陡漲陡落、峰高量小的局地暴雨洪水。

3.2.3 混合型洪水

混合型洪水是指季節積雪融水與局地暴雨或大尺度降水形成洪水疊加而成。這類洪水歷時較長,洪峰高洪量也較大。

4 洪水特征分析

由于該區域沒有實測水文資料,通過對三屯河碾盤莊站實測洪水資料進行統計分析,總結區域不同類型洪水特性。

(1)季節性積雪融水洪水主要特征:洪水大小與前期積雪面積及儲量有密切關系;出現時間早,洪水過程與升溫過程關系密切,并隨氣溫變化具有明顯的日變化過程;洪水漲落變化緩慢持續時間較長,洪峰流量小相應洪量也不大;春季隨著雪線的上升,融雪洪水每日洪峰出現的時間逐漸推后[2]。隨著時間的推移,融雪洪水出現時間隨雪線的不斷上升而逐漸推后,當中、低山帶積雪消融殆盡,區域積雪消融洪水過程結束,河流由地下水補給,水量趨于穩定。圖1為碾盤莊站1996年5月19日至6月1日一次融雪洪水過程線圖。

圖1 碾盤莊站1996年5月融雪洪水過程線

(2)暴雨洪水的主要特征:暴雨洪水大多由局地暴雨或大尺度持續降水過程形成;暴雨洪水大多出現在汛期5-8月;暴雨洪水過程線型多尖瘦,陡漲陡落,突發性強;洪峰流量量級及持續時間由暴雨強度和持續時間決定;由于暴雨對坡面的侵蝕作用,暴雨洪水一般都具有挾沙量大、礦化度高、破壞性大、發生頻率較高的特點。圖2為碾盤莊站1988年7月15日一次局地性暴雨型洪水過程。

圖2 碾盤莊站1988年7月局地暴雨洪水過程線圖

(3)混合型洪水的主要特征為:兼有季節性積雪融水及暴雨洪水雙重形態特征;暴雨洪水疊加在融雪洪水之上,因此,洪峰流量一般比單純的融雪洪水與暴雨洪水更大,極具危害性;由于融雪期間地表濕潤松散,此時若遭遇強降水,對坡面的侵蝕作用加強,致使含沙量大,同時大量的鹽份溶解,河水礦化度高;洪峰量級及持續時間是由累積雪量、升溫過程及暴雨強度和持續時間等多種因素決定。圖3為碾盤莊站1996年7月大尺度降水過程形成的混合型洪水過程。

圖3 碾盤莊站1996年7月混合型洪水過程線圖

5 研究區水文資料“三性”分析

本次研究采用鄰近三屯河流域碾盤莊站和昌吉氣象站長系列資料進行分析。代表性的分析應在可靠性、一致性的基礎上進行,所以應首先對資料系列的可靠性和一致性進行分析,在此基礎上再對代表性進行分析。

5.1 可靠性分析

碾盤莊站為國家基本站,其洪水資料的測驗、整編及刊印均嚴格按國家行業規范標準執行,精度較高,具有較好的可靠性。昌吉氣象站為國家基本站點,資料采集、整編和刊印嚴格按國家行業規范要求執行,資料質量可靠。

5.2 一致性分析

對于洪水系列而言,區間引水、分水以及測站斷面遷移,是影響洪峰流量資料系列一致性的兩個主要因素。碾盤莊站以上不存在區間引洪、分洪現象,人類活動影響相對較小。碾盤莊站設立于1956年,但1955-1958年這段資料不完整,且1959-1975年停測。因此在水文計算時,只采用了1976-2016年洪水資料,而該站1976年以后斷面上下遷移兩次距離較近,區間集水面積變化不大,可認為遷移前后其洪水形成條件未發生明顯變化,表明碾盤莊站1976-2016年41年洪水資料系列一致性較好。

昌吉氣象站1952年建站,降水資料1953年開始觀測至2009年遷站至新站址,直線距離11.7 km,但仍處于綠洲平原區。經過氣象部門比測分析,僅對最低氣溫有一定影響。因此,2009年前后資料合并后的1953-2016年最大一日降水量資料可以認為具有一致性。

5.3 代表性分析

5.3.1 不同長度系列統計參數對比分析

采用碾盤莊站洪峰流量實測資料,自2016年逆時序向前、采用矩法計算其不同長度系列統計參數進行對比分析,見表1。隨著系列長度的增加,統計參數變動幅度逐漸減小,當系列長度達到34 a以上時,其均值相對偏差的絕對值小于5%;當系列長度達到31 a以上時,Cv值相對偏差絕對值小于5%。綜上所述,系列長度達到34 a時系列統計參數基本趨于穩定。

表1 碾盤莊站不同長度系列統計參數對照表

5.3.2 洪峰流量模比系數差積曲線分析

點繪碾盤莊站最大洪峰流量與最大一日降水量模比系數差積曲線和昌吉氣象站最大一日降水量模比系數差積曲線,見圖4。

圖4 參證站洪峰流量與最大一日降水量模比系數差積曲線圖

從圖4可以看出,碾盤莊站1976-2016年洪水系列中,1976-1986年處在一個小洪峰流量年群,1987-2016年處在一個大洪峰流量年群中,期間還包括了幾段中等洪峰流量年群,且過程較為完整。碾盤莊站最大一日降水量在1976-1986年11年間,處在一個降水量偏少年段;1987-1999年13年間,處在一個降水豐沛年段;2000-2016年,處在一個不完整的降水量偏稀少年段。昌吉氣象站降雨量1953-1996年44 a間,處在一個降水量偏少年段;1997-2005年間,處在一個降水豐沛年段,2006-2016年間,處在一個降水量偏少年段。

綜合來看,碾盤莊站1976-2016年洪水系列明顯包含著大、中、小不同量級洪水信息;碾盤莊站1976-2016年最大一日降水量系列基本包含多水年群和少水年群過程;昌吉氣象站降水量64 a降水量系列包含完整的多水年群和少水年群過程。

5.3.3 洪峰流量模比系數累積平均曲線分析

點繪碾盤莊站最大洪峰流量與最大一日降水量模比系數差積曲線和昌吉氣象站最大一日降水量模比系數差積曲線,見圖5。

圖5 參證站洪峰流量與最大一日降水量模比系數累積平均曲線圖

從圖5碾盤莊站洪峰系列模比系數累積平均值過程線中可見:洪峰流量模比系數累積平均值隨著系列長度的增加逐漸收斂于1,當系列長度增加到28 a以上時,模比系數累積平均值相對誤差小于5.0%。說明碾盤莊站實測洪峰系列均值已趨于穩定。碾盤莊站最大一日降水量系列長度達到41 a時,年平均降水量模比系數累積平均值趨于1,說明碾盤莊站41 a最大一日降水量系列已趨于穩定。昌吉氣象站最大一日降水量系列逆時序長度達到43 a以上時,最大一日降水量模比系數累積平均值5%以內波動并逐漸趨于1,說明昌吉氣象站64 a最大一日降水量系列較穩定。

綜合以上分析,碾盤莊站41 a最大洪峰流量與最大一日降水量系列具有代表性;昌吉氣象站最大一日降水量64 a系列代表性較好。

6 結語

通過對昌吉市三工灘前山區洪水成因類型、洪水特征及參證站基礎水文資料的可靠性、一致性和代表性進行分析,得出三工灘前山區無水文資料洪峰、降水系列趨勢穩定,對產生的洪水可提前做出預報,對該流域防洪減災、洪水預測預報、避免造成生命財產和基礎設施造成威脅等可提供一定的科學依據。