浅论无资料地区采用气温推求设计洪量的分析计算

(新疆阿勒泰地区水利水电勘测设计院，新疆阿勒泰 836500)

吉木乃县地处新疆维吾尔自治区西北边陲，西与哈萨克斯坦交界，南与和布克赛尔蒙古自治县为邻，战略位置十分重要。吉木乃县城 (即托普铁热克镇)所处拉斯特河流域每年洪水上涨，洪水泛滥，水渠、公路常被冲毁，给城市居民生命财产、基础设施造成很大损失。随着吉木乃县城市经济的发展，洪水灾害所带来的一系列问题也愈来愈突出，群众迫切要求对拉斯特河的洪水进行治理。由于该地区处地偏远，无长系列水文资料，仅有较完整的长系列气温资料，故在洪水分析计算时采用积温对洪水进行分析计算，在后期的运行实践中说明该方法取得的成果是正确的。

1 概况

1.1 城市所在地流域自然地理概述

吉木乃县城位居拉斯特河流域，流域地理坐标为北纬 47°00'～ 47°59'，东经 85°33'～ 87°09'。河流发源于萨吾尔山脉的木斯岛冰峰。山脉平均海拔 (黄海标高下同)3200m以上，最高峰3787.3m。山体南陡北缓，海拔3000m以上终年积雪不化，为现代冰川，冰川覆盖面积18.4km2，山脉为东西走向。山体向下是受冰雪消融影响的分化活动地带，往北依此为亚高山草甸的一级平台、山地草甸植被的二级侵蚀剥蚀平台和海拔1200～1800m草原植被地势趋于平坦的三级平台河谷。山体以下的三级平台河谷是广阔的山洪冲积平原。

拉斯特河流域面积837.5km2，河长79.7km。干流科克克也木也尔控制集水面积262km2，干流河长26km;干流科克克也木也尔至吉木乃县城红山头，流域集水面积583.5km2，干流河长49km。拉斯特河水流经吉木乃县城，穿过阿克塔木流入北沙窝的科克舍木后，在戈壁沙漠中消失，年径流量均值3858万m3，流量均值1.22 m3/s。

1.2 流域特性

拉斯特河自源头至科克舍木，流域平均宽度4～12km，科克克也木也尔以上4～7km;科克克也木也尔至红山头4km;红山头以下12km。流域长度约80km。流域内不同河段特性是:面积坡度Sf(m/km2)科克克也木也尔以上干流为8.7，科克克也木也尔以下干流在1.4～5.4之间;流域平均坡度SR(m/km)科克克也木也尔以上为79，以下为14.5～23，流域形状系数0.13。

1.3 气象

拉斯特河流域地处欧亚大陆腹地，远离海洋，气候干燥，属大陆性北温带寒冷高原性气候。气候特征为春旱多风，夏季凉爽，秋季短暂，冬季寒冷而漫长，降水量少，蒸发量大，日照充足，无明显的四季之分，仅有冷暖之别。

1.3.1 气温

据吉木乃县气象站实测资料统计分析，多年平均气温为3.5℃，极端最高气温37.2℃，极端最低气温－38.5℃，最热月为7月，最低月为1月。吉木乃县气温日变化显著，气温的年平均日较差为11.4℃，最大日较差为24.4℃，累计年平均年较差为33.5℃，年气温各月及日差分配统计见表1。

1.3.2 降水

吉木乃县地处拉斯特河流域，南面为萨吾尔山脉，北部为北沙窝戈壁沙漠，自然降水少，且分布极不均匀，总的特点是:南多北少，随海拔增加而增加，据吉木乃县志，平均每升高100m，年降水量增加3～5mm，萨吾尔山区海拔1200m以上最大降水带内估计可达300～400mm，多年平均降水量为190mm，各月分配见表1。

表1 吉木乃县年气温各月、日差分配统计及降水量统计

降水量大于0.1mm的天数为103天，大于5mm的为11天。

吉木乃县境内连续降水日最长达8天，连续无降水日最长达32天。降雪是吉木乃县另一特征，据统计，年均降雪日数为51.2天，降雪量为55.7mm，出现日期在8月下旬至次年6月初，平均初日为9月29日，平均终日为5月11日。可降雪日数225.4天。

1.3.3 积温

吉木乃县大于等于0℃的初日为4月7日，终日为10月21日。大于等于0℃以上的积温为2822.3℃，最高年份为3543.2℃，最低年份为2521.2℃，大于等于10℃的初日为5月16日，终日为9月16日，大于等于 10℃的积温为 2233.7℃，最高年份为2641.8℃，最低年份为1788.8℃。积温的分布特点是由南向北递增。地温变化趋势与气温基本一致，但地表温度的振幅大于气温，随深度增加，振幅逐渐平缓，时间滞后，地表最高温度多出现在7月。

2 资料收集和复核

2.1 水文站基本情况

拉斯特河上游，曾设科克克也木也尔水文站，观测项目有水位、流量、气温、降水量等。科克克也木也尔站距吉木乃县城约21km，集水面积262km2，海拔1458.5m(黄海标高，下同)。该站于1980年9月由新疆维吾尔自治区水利厅设立并开始观测，1993年停测，历时13年。

2.2 吉木乃县气象站

1959年设立气象站，原址在离吉木乃县城32km的托斯特乡，1962年迁至县城观测至今。吉木乃气象站为国家基本站，一级站，业务隶属国家气象局领导。观测项目主要有气温、降水量、蒸发量、气压、相对温度、地面温度，风向风力等。自1962年至今，资料连续、完整，代表性较好。

3 科克克也木也尔站洪水计算

3.1 洪水成因

拉斯特河径流主要来源于降雨和季节性积雪融水，因此，拉斯特河的洪水成因也主要是夏季暴雨和季节性积雪融水，加上萨吾尔山冰川覆盖面积较大，当遇高温及连续性降雨时，即会形成较大洪水。高山永久性积雪和冰川的发育对拉斯特河洪水有一定影响。山泉、地下水补给虽占有一定比例，但其对径流补给相对稳定，不足以形成洪水。

拉斯特河洪水从成因和发生时间上可以分为:春季末期或夏季初期的季节性积雪融水型洪水;夏季暴雨型洪水;降雨、融雪混合型洪水。积雪、融水型洪水多发生在5～6月，高山积雪随着气温的逐渐升高，加速消融，形成融雪型洪水，这种洪水发生的频率较高，但洪峰不大;暴雨融雪混合型洪水一般发生在7～8月，连续降雨和高温天气，造成上游冰雪融化，与降雨干支流迅速汇流，形成洪水，快速传递到中下游产生暴雨融冰雪混合型洪水，此类洪水发生几率小，但洪峰大。

3.2 洪水资料

3.2.1 实测资料

科克克也木也尔水文站有1981～1993年13年观测资料，洪水资料系列连续，基本上达到水文分析计算规范要求。经调查，水文站上游基本没用水分水情况，故不进行洪水还原计算。

3.2.2 历史洪水调查

2002年7月23日洪水:科克克也木也尔水文站洪峰流量为196m3/s，洪水到达吉木乃县城河段，最大洪峰约为142m3/s，相当于50年一遇。

1948年洪水:吉木乃县城河段估算洪峰不小于120m3/s，按河道削峰率20%考虑，反推科克克也木也尔水文站断面为162.6m3/s，相当于30年一遇。

3.3 设计洪峰计算

3.3.1 洪水系列

利用科克克也木也尔水文站实测的1981～1993年洪水系列并考虑调查洪水作为不连续系列洪水进行计算。

3.3.2 设计洪峰流量经验频率公式

我国《设计洪水规范》规定，不连续系列的经验频率也采用频率次序统计量的数学期望确定，即a个特大历史洪水的经验频率为

式中 n——调查期 (长度为n年)。

3.3.3 理论频率曲线的选用

由于经验频率曲线外延困难，常借用数理统计学中的理论频率来外延，以统一外延标准。计算中采用皮尔逊Ⅲ型曲线即P-Ⅲ型曲线。

3.3.4 统计参数Q0、Cv、Cs的推求

采用适线的方法确定，本次适线也用微机适线。经验频率、理论频率及采用值为理论频率计算值。设计洪峰成果见表2。

表2 拉斯特河科克克也木也尔站设计洪峰成果

3.4 设计洪量

3.4.1 水文系列的延长

吉木乃县城所在的拉斯特河上，科克克也木也尔站仅有13年水文实测资料，代表性较差。经分析，时段洪水洪量与洪峰和日最高气温有较好的关系。而洪峰则与日最高气温和年径流量有良好关系。因此，首先点绘年径流量与最大洪峰以日最高气温作参数的相关关系图，以不同日最高气温建立回归方程式，求洪峰值，然后由洪峰与不同时段洪量建立关系再求出时段洪量值。

(1)W年－Tm－Qm相关关系的回归方程式:

当Tm≤32℃时，Qm=119.4W年－27.51，相关系数R=0.97;

当W年≤0.3亿m3时，Qm=43.66W年－4.08，相关系数R=0.97;

当36℃ ＞Tm≥32℃时，Qm=141.1W年－30.06，相关系数R=0.98;

当W年≤0.3亿m3时，Qm=49.38W年－2.43，相关系数R=0.98;

当Tm≥36℃时，Qm=121.4W年－7.10，相关系数R=0.98;

当W年≤0.3亿 m3时，Qm=55.9W年+12.1，相关系数R=0.98。

以上式中 Qm——洪峰流量，m3/s;

Tm——日最高气温，℃;

W年——年径流量，亿m3。

(2)时段最大洪量系列的延长。根据科克克也木也尔水文站实测的1981～1993年洪水资料，选择各年时段最大1日、3日、5日、7日洪量进行统计和计算。拉斯特河实测年径流量、最大洪峰和日最高气温统计及历年最大洪量计算结果见表3。

利用表3实际量算的洪量与洪峰分别点绘1日、3日、5日、7日相关关系图 (图略)，然后进行回归分析，建立回归方程式。各时段回归方程式如下:

最大1日洪量:W1日=0.00048Qm+0.0018，相关系数R=0.89。

式中 W1日——最大1日洪量，亿m3;

Qm——年最大洪峰，m3/s，下同。

最大3日洪量:W3日=0.0012Qm+0.0024，相关系数R=0.92。

式中 W3日——最大3日洪量，亿m3。

最大5日洪量:W5日=0.0013Qm+0.01，相关系数R=0.86。

式中 W5日——最大5日洪量，亿m3。

最大7日洪量:W7日=0.0018Qm+0.0067，相关系数R=0.96。

式中 W7日——最大7日洪量，亿m3。

经回归方程延长后的时段洪量系列见表4。

表3 拉斯特河年径流量与洪峰、气温关系统计及历年最大洪量计算结果

表4 科克克也木也尔站历年时段最大洪量延长统计

3.4.2 设计时段洪量计算

根据延长后的时段洪量系列进行洪量频率计算。

(1)设计时段洪量经验频率公式。按连续系列的经验频率，采用频率次序统计量的数学期望确定，即

式中 P——经验频率;

m——各项在系列中的位次;

n——系列项数。

(2)理论频率曲线的选用。借用数理统计学中的理论频率曲线外延，计算中采用皮尔逊Ⅲ型曲线，即P-Ⅲ型曲线，用微机进行适线。

表5 科克克也木也尔站设计洪量频率参数及设计时段洪量频率成果表

(3)统计参数W0、Cv、Cs的推求。由于时段不同，时段洪量的经验频率参数和理论频率参数也不同，计算结果见表5。

(4)设计洪量。通过经验频率和理论频率计算及理论频率适线，统计参数采用理论频率选值，计算结果见表5。

4 结语

在计算中结合拉斯特河的流域特征，以充分利用实测资料和地形资料为前提，对主要水力要素的因子进行率定，并参考有关规范确定，经用实测资料进行验证，说明这些计算方法是合理的，对拉斯特河较为实用。

在计算方法中，充分利用拉斯特河流域的降水、气温资料，研究分析了径流与降水、气温间的相互关系。发现径流量与降水、气温有十分密切的关系，认真点绘径流量、降水、气温的三者关系，建立它们之间的回归方程式，对延长径流量、时段洪量进行频率计算有很大的帮助。

设计洪水计算成果包括年径流、设计洪峰、时段洪量。设计洪峰是通过洪水调查和实测资料运用理论频率适线，时段洪量和设计洪水流量过程运用同频率与典型年缩放法求得，满足规范要求，所采用的参数符合新疆阿勒泰地区河流的基本特征。