尉犁县小流域暴雨洪水预警指标探讨

(新疆巴音郭楞水文勘测局，新疆 库尔勒 841000)

尉犁县地处库尔勒市巴音郭楞蒙古自治区腹地，下辖1镇7乡共7万人，总面积59 402 km2。县境内地形复杂，气候差异悬殊。降雨自北向南、从西向东递减，暴雨山洪灾害频发，给当地人民生产生活造成巨大威胁。截止2012年，尉犁县共建设山洪灾害防治非工程措施27个监测站点，并配备大量的简易雨量水位监测站，建立了县乡村组户五级山洪灾害防御责任制体系。受当时投资和技术方法限制，没有进行小流域暴雨洪水分析。为了提高山洪灾害预警能力，需对暴雨洪水的预警时段指标进行确定，本次以尉犁县新地村典型小流域为例，进行预警指标确定的方法介绍。

1 暴雨洪水特性及灾害防御问题

1.1 气象水文分析

尉犁县地形复杂，空气干燥，蒸发旺盛，气候差异较大。自东向西、从南到北可分为四个气候区。东部热量较多，降水稀少，日照充足，夏季炎热，冬季寒冷；中部平原热量尚足，夏季有冰雹，秋季有霜冻；西部山麓地带热量较少，降水适中；北部山丘区热量不足，降水丰富。历年平均气温为2.5℃。降雨北部高山年降水量600 mm以上，中高山地带年降水量350～500 mm，低山丘陵地区年降水量250 mm以下，差异变化较大。盆地自由水面蒸发量为960.2 mm。目前尉犁县只有1个气象站，仅能监测其所在地20～30 km范围内的天气变化。全县还没有系统建设水文监测设施。

1.2 暴雨洪水特性

尉犁县的山洪主要是夏季的暴雨型洪水。这类洪水主要受局部天气和地形的影响，一般发生在海拔1 000～1 800 m的中低山和丘陵地带，多发生在4-8月暴雨季节，一般具有独立的峰形。由于降水强度大，洪水峰值高、历时短，来势凶猛，措手不及，不易防范，直接危害对在山洪河沟沿岸活动的人畜。因此，尉犁县的山洪灾害具有出现频率高、季节性强、区域性明显、分布广、来势凶猛、成灾快、破坏性强、危害严重、恢复难度大的特点。

1.3 山洪灾害防御存在问题

虽然尉犁县在山洪灾害防御方面取得一定工作成绩，但也存在以下问题：1)防治山洪预测预警体系还没有形成全覆盖，全县大部分地区监测信息依靠人工来观察，凭经验预测山洪；2)北部山区各流域内雨量站还非常稀少，水位观测站没有，远远不能满足预报山洪的实际需要；3)预案的编制还不够规范，可操作性不强，防灾知识宣传还有待加强。

2 设计暴雨分析

设计暴雨主要包括确定和分析小流域时段雨量、暴雨频率和暴雨时程分配。根据技术要求，现以新地村为例，对这设计暴雨进行分析计算。

2.1 暴雨频率分析

尉犁县位于开都河流域，按集水区形-位置插值可得到1 h、6 h和24 h的暴雨均值和cv值。按cs=3.5cv，查《新疆暴雨图集》的皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数Kp值表，可得各计算单元不同设计暴雨频率相应的Kp值，乘以暴雨均值可得不同设计暴雨频率的设计点雨量。根据技术要求，暴雨频率选择了5 a一遇、10 a一遇、20 a一遇、50 a一遇、100 a一遇5种频率。由于《新疆可能最大暴雨图集》中没有年最大10 min暴雨均值等值线图，根据查阅尉犁县水文站多年的降雨资料，对比最大10 min雨量和最大1 h雨量，发现最大10 min雨量占最大1 h雨量的20%～80%，但多数为40%～50%。因此，把图集中的最大1h暴雨均值乘以系数0.45作为最大10 min暴雨均值，cv值和1 h相同。

2.2 暴雨时程分配分析

暴雨时程分配根据暴雨图集中的逐时概化雨型分配比进行分析。根据小流域汇流时间，在概化雨型上以最大分配小时开始(即第14 h)，然后按一左一右的原则取出设计历时内各小时的百分比，并将其总和视为100%。根据此比例将不同频率下的降雨量进行分配，可得到汇流时间的设计面雨量过程线。根据以上方法，可以计算出尉犁县分析评价对象新地村所在小流域汇流时间设计暴雨里程分配及暴雨成果，见表1。

3 设计洪水计算

根据现场调查成果及现行设计洪水计算方法，本次典型频率洪水计算采用4种方法进行计算分析。

3.1 洪水资料分析

尉犁县没有水文监测站，现以附近流域情况相同的的以克尔古提水文站、黄水沟水文站、迪那河水文站为洪水分析计算的参证站，以该站洪水资料，分析资料系列的可靠性、一致性和代表性。

3.1.1 参证站洪峰流量可靠性审查

位于清水河出山口处的克尔古提水文站，于1956年5月由新疆维吾尔自治区水利厅设立，测站以上集水面积为1 016 km2，为区域代表站，现有1956-2013年的监测资料。黄水沟水文站于1955年6月设立，位于和静县黄水沟出山口处，测站以上集水面积4 311 km2，控制着黄水沟来水量，为区域代表站。迪那河水文站于1956年在迪那河出山口设立，具有1959-1969、1973-1992年实测的完整年径流资料，1957-1993年完整的洪水资料。3站水文资料均以水利部部颁刊印资料标准进行计算、审查、验证，资料精度可靠。

表1 新地村典型小流域设计暴雨成果表

3.1.2 参证站洪峰流量系列一致性分析

克尔古提水文站从1956年8月下迁至今观测断面未发生变动，1957-2013年57年的实测年径流资料具有较好的一致性。本次水文分析计算所采用的黄水沟、迪那河水文站资料都在同一基本断面观测的，虽部分年的非汛期没有观测资料，但在发生洪水的汛期全部有资料，没有漏测洪峰的现象，所以洪峰流量系列具有一致性。

3.1.3 参证站洪峰流量系列代表性分析

根据3座水文站模比系数差积曲线和长短系列统计参数对比分析可知，年最大洪峰流量系列基本上包含了洪水的大洪水期、小洪水期及接近于正常洪水的完整周期过程，因此，3站的年最大洪峰流量系列可以覆盖一个比较完整的丰、平、枯水周期，表明系列具有较好的完整性，且Cv值的相对误差小于1.0%，亦即系列具有一定的代表性。

综合上述分析，克尔古提水文站、黄水沟水文站、迪那河水文站洪峰流量系列较长，且具有一定的可靠性、一致性、代表性，将之作为设计流域洪峰流量系列分析的依据，可以用之反映设计流域洪峰年际变化的一般性规律。

3.2 净雨分析

基于尉犁县山洪短历时、强降雨的特点，在进行设计洪水分析评价时，净雨分析充分考虑小流域的植被与土壤要素对植被的影响。尉犁县植被发育较差，植被截流量在净雨计算中可以忽略，只考虑土壤要素的影响即可。为安全起间，土壤要素对净雨的影响，可取土壤的稳渗率，该值根据全国下发底图中所给小流域的稳定下渗率值综合确定。经查图，新地村小流域5 a一遇、10 a一遇、20 a一遇、50 a一遇、100 a一遇净雨值分别是为21 mm、28 mm、37 mm、48 mm、56 mm。

3.3 洪峰流量合理性分析

受上游冰川融雪及土壤植被变化的影响，巴州地区清水河、黄水沟、迪那河三大水系洪峰模数具有一定的差异，但受人类活动和气候的影响，各大水系又相互影响。因此，在将地区洪峰模数进行地区综合的同时也能兼顾各地区特有的产汇流特性。本文以克尔古提水文站、黄水沟水文站、迪那河水文站为参证站，分别采用模比系数综合频率曲线法、地区综合经验公式法、单位线法和推理公式法，对新地村不同频率下的洪峰进行计算，计算结果见表2。

表2 新地村洪峰流量计算成果汇总表

模比系数地区综合频率曲线法应用水文、环境特征相近的水文站多年序列资料值做出的综合频率曲线为基础，可降低计算成果的抽样误差，也可消除个别站的偶然误差和各水文站的特性差别。该方法的优点是选用的水文气象资料序列长。洪水资料可靠，且简单易行，适合无资料地区的洪水推求。地区综合经验公式法依据各沿河村落所在小流域参数信息计算得到的设计洪水与泄洪沟道断面数据无法对应，故不采用。单位线法依据不同频率下的单位线，在净雨时程分配成果计算洪峰流量。单位线法具有一定的理论基础，是考虑流域大小、形状、地形地貌及土壤植被的综合结果。单位线法操作简单，可以计算出整个洪水过程，但是有一定的缺点，该方法是根据理论公式计算得出的，而不是传统意义上基于实测资料，所以与实际情况具有一定的误差。推理公式法计算过程简单，缺点是该方法无实测资料作为依据，具有一定误差。

综上所述，只有模比系数综合频率曲线法分析计算是基于调查洪水资料，而其它方法都是基于经验和理论，为保证沿河村落村民安全，最大限度考虑洪水的影响，建议采用该方法计算结果评价防洪现状和预警指标。

4 预警指标分析

4.1 预警时段确定

预警时段指雨量预警指标中采用的典型降雨历时，是雨量预警指标的重要组成。受评价对象所在小流域集雨面积大小、降雨强度、流域形状及其地形地貌、植被、土壤含水量等因素的影响，预警时段会发生变化。因此，需要合理地确定。针对尉犁县暴雨洪水特点，将评价对象所在小流域汇流时间作为沿河村落预警指标的最长时段，对于汇流时间较短的增加1～2个时段。根据评价对象所在地区暴雨特性、流域面积大小、平均比降、形状系数、下垫面情况等因素，确定比汇流时间小的短历时为典型预警时段，一般选取2～3个典型预警时段，最小预警时段选为1h。北方干旱区，由于暴雨强度大且超渗产流突出等特性，最小预警时段可选为30 min。经综合确定，新地村所在小流域的汇流时间为2 h，尉犁县处于北方干旱地区，降雨多为短历时强降雨，超渗产流特性突出，结合其下断面的特性，综合确定尉犁县预警时段为1 h、2 h和3 h三个时段。

4.2 土壤含水量计算

流域土壤含水量对流域产流有重要影响。尉犁县处于北方干旱地区，产流方式主要以超渗产流为主。本次采用综合因子法确定扣损值，即综合考虑流域土壤类型、植被情况、前期土壤干湿情况以及降雨强度等信息，前期土壤湿润、中等湿润、干旱特性指数分别取0.66、0.76、0.81，进入入渗率计算。

4.3 临界流量、雨量指标

临界流量即洪水到达成灾水位时对应的洪峰流量。在实测控制断面的基础上，采用曼宁公式计算成灾水位对应的洪峰流量即为临界流量。新地村转移时间为30 min，故将产生洪峰前30 min时流量的降雨作为准备转移雨量，准备转移流量的确定与计算立即转移指标对相应的洪水过程密切相关，既不能简单的采用最长降雨历时的洪水过程线进行分析，也不能采用最短降雨历时的洪水过程线进行分析，从最大限度的保护人民群众生命财产安全的角度考虑，并使计算性较稳定，这里根据各预警时段的洪水过程线计算出的准备转移流量的最小值，确定好准备转移流量。

临界雨量计算是一个不断试算的过程。首先确定临界流量和计算流量的阀值(一般取0.1)，其次假定一个初始降雨量，并按照雨量及雨型分析得到相应的降雨过程列作为最初的输入，计算洪峰流量。结合评价对象所处的位置及周边环境等，规定准备转移时间为30 min，故将产生洪峰前30 min流量的降雨作为准备转移雨量。由于新地村成灾水位均高于百年一遇的洪水位，处于安全区，故不计算其发生频率和对应流量，也无需对预警指标进行计算。

5 结语

小流域暴雨是造成山洪灾害的重要原因，其预警指标也是提高防御能力的重要举措。本次以新地村为例，对尉犁县小流域暴雨洪水预警时间指标确定方法进行了探讨。文章分析了尉犁县防洪现状和暴雨洪水特性，以小流域汇流时间为特征时段，经过不同计算方法，得到了5 a、10 a、20 a、50 a、100 a一遇的设计雨型及相应的设计暴雨洪水。综合考虑防灾对象所处河段河谷形态、洪水上涨速度、预警响应时间和站点位置等因素，在临界雨量、流量的基础上确定小流域暴雨洪水预警时间指标分别为1 h、2 h和3 h，这将为当地提高山洪灾害防御能力奠定基础。