乌鲁木齐河低山丘陵区暴雨递减指数分析

赵宏涛

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

乌鲁木齐河位于东天山支脉天格尔山北坡，其低山丘陵区降水丰富，植被条件较好，常被喻为“乌鲁木齐市的后花园”，是旅游、休闲开发的重点区域。随着建设的开展，山洪防治问题逐渐突显。

乌鲁木齐河低山丘陵区洪沟以暴雨洪水为主，均无水文站观测，工程设计时一般采用推理公式由暴雨资料推求设计洪水。推算过程中流域几何特性可依据地形图量算得到，流域下垫面特性可查表取值，仅暴雨递减指数参数多年来一直按全区规律统一取值，造成计算成果常与实际情况不相符，急需依据实测暴雨资料分析率定，并总结其对计算成果的影响。

1 暴雨特性及观测站点

乌鲁木齐河地处中纬度地区，属典型温带干旱大陆性气候，受山体抬升影响低山丘陵区降水相对丰富，形成天格尔暴雨高值区。该区域一般为小尺度天气系统形成的局地暴雨，主要发生在7月中下旬，场次暴雨多在1日内完成，具有笼罩面积小、降雨历时短但雨强大等特点。

英雄桥水文站为国家基本水文站，位于乌鲁木齐河出山口附近的低山丘陵区，于1956年10月设立，海拔高程约1950 m。该水文站于1958年开始采用20 cm雨量器进行降水观测，汛期降水量摘录资料经整理后逐年刊布于水文年鉴内。

笔者依据英雄桥水文站1958～1989共32年连续汛期降水量摘录资料，分析率定乌鲁木齐河低山丘陵区暴雨递减指数。

2 暴雨递减指数率定

2.1 样本选样

在水文统计学上选样方法历来有年最大值法与非年最大值法[1]，本次依据英雄桥水文站暴雨资料，按工程水文中常用的年最大值法进行选样。考虑乌鲁木齐河低山丘陵区暴雨历时较短，因此选样的最大时段定为24 h。为准确率定各时段暴雨递减指数，笔者逐年统计年最大10 m、20 m、30 m、40 m、50 m，1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h 的时段降雨量，并据此组成各时段1958～1989共32年年最大降雨量系列。

2.2 设计降雨量计算

依据英雄桥水文站1958～1989年各时段年最大降雨量系列，采用水利行业常用的皮尔逊III型曲线进行适线，依据点群趋势目估定线，成果如图1、表1所示。本文重点分析率定防洪工程常用频率0.5%、1%、2%、3.33%、5%、10%。

图1 英雄桥水文站各时段降雨量频率曲线图

表1 英雄桥水文站各时段雨量频率适线成果表

2.3 设计雨强计算

单位时段内的平均降水量即为雨强，公式如下：

式中：at,p为历时为t、频率为p的设计雨强，mm/h；xt,p为历时为t、频率为 p 的设计降雨量，mm；t为降雨历时，h[2]。

英雄桥水文站各时段设计雨强，可依据英雄桥水文站各时段设计降雨量进行计算，成果如表2所示。

表2 英雄桥水文站各时段设计平均雨强成果表

2.4 暴雨递减指数率定

暴雨递减指数又称为暴雨衰减指数，用来反映暴雨在时空分布上的集中（或分散）程度[3]。采用推理公式进行设计洪水计算时，需通过暴雨递减指数转换各时段设计雨强，水利行业一般采用的指数型暴雨公式如下：

式中：Sp为频率为p的设计雨力，mm/h；n为暴雨递减指数。

将指数型暴雨公式两边取对数，即为lg at,p=lg sp-nlg t，可知理论上lg at,p与lg t呈直线关系，暴雨递减指数n即为此直线的斜率。

将英雄桥水文站常用频率设计雨强按历时点绘在双对数纸上，按点据分布规律以1 h为界，分两段率定各频率暴雨递减指数，如图2所示。其中当时段＜1 h时，暴雨递减指数以n1表示；当时段＞1 h时，暴雨递减指数以n2表示。分段率定的英雄桥水文站各频率暴雨递减指数成果如表3所示。

图2 英雄桥水文站常用频率雨强-历时图

表3 英雄桥水文站暴雨递减指数成果表

3 暴雨递减指数规律分析

由前述分析可知，英雄桥水文站暴雨递减指数以1 h为转折点可分为两段，其中n1较为稳定在0.278～0.280之间，n2变幅相对较大在0.704～0.835之间。总体而言，该区域暴雨递减指数随历时的增加而增大，随频率的增大而减小。

4 暴雨递减指数实际应用分析

以乌鲁木齐河某低山丘陵区洪沟（流域面积2.2 km2，沟长1.5 km，比降0.027）10年一遇设计洪水计算为例，验证本次暴雨递减指数率定成果的合理性，以及对设计洪水计算的影响。

在采用推理公式计算时，查取值表该洪沟汇流参数M按2类计算，土壤下渗强度μ按3类、“前期土壤中等湿润”进行计算。英雄桥水文站10%设计24 h降水量为41.2 mm；笔者率定的暴雨递减指数成果显示10%频率下n1取0.278，n2取0.704，据此计算该洪沟设计洪峰流量成果为2.32 m3/s；若参考《新疆维吾尔自治区可能最大暴雨图集》，按全区统一规律n1取0.7，n2取0.8，在其它参数一致的情况下计算的该洪沟设计洪峰流量为6.37 m3/s，是前者的2.7倍。

该洪沟调查的10年一遇洪峰流量为2.2 m3/s，显然以笔者率定的暴雨递减指数计算的成果更符合当地的实际情况。由此可知暴雨递减指数对推理公式计算成果影响较大，这也正是以往计算成果常出现明显偏离实际的原因。

5 结论

依据英雄桥水文站实测32年暴雨资料，分析率定乌鲁木齐河低山丘陵区常用频率暴雨递减指数及其规律。成果显示暴雨递减指数总体随历时的增加而增大，随频率的增大而减小。常用频率下n1在0.278～0.280之间，与全区规律0.7差异较大；n2在0.704～0.835之间，与全区规律0.8基本相当。应用案例显示推理公式设计洪水计算结果对暴雨递减指数较为敏感，以笔者率定的暴雨递减指数计算的成果较符合当地实际情况，可供周边暴雨洪水计算使用。