新疆伊宁县暴雨洪水发生的时空特征及致灾因素研究

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(新疆土壤与植物生态过程实验室/新疆农业大学 草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052)

洪水灾害被列为当今世界主要自然灾害之一，也是我国最严重的自然灾害之一，占自然灾害引起的死亡的55%，占自然灾害造成的经济损失的31%[1-2]。按其成因和灾害特点可大致分为6类，即春季融雪洪水、暴雨洪水、夏季融冰雪洪水、冰川湖溃坝型洪水、冰凌洪水、混合型洪水[3]。其中，以暴雨洪水造成的危害较为严重、波及的范围较广，对人类生产造成极大威胁。我国大部分河流的洪水多是由暴雨引起的[4]。

新疆位于我国西北内陆干旱区，境内的高大山体可截获较多水汽，易在山区形成降水；中低山带多暴雨，极易形成突发性洪水[5]。据统计，新疆洪水的面积占土壤水力侵蚀面积的0.56%，约70%以上洪水由暴雨形成[6]。从20世纪50年代到90年代，新疆暴雨洪水灾害频次由平均每年6.1次增加至14.4次，增加了2倍多[7-8]。洪灾损失由20世纪50年代的4.65亿元增加至90年代的13.63亿元。1996年洪灾损失占到当年新疆国民经济总产值的7%。伊犁河谷是新疆洪水灾害最为严重的区域之一，其中察布查尔县平均每年由洪水造成的直接经济损失，约占该县地区生产总值的0.5%[9-10]。暴雨洪水在4-9月份均可能发生，主要发生在6-8月份[11]。按新疆暴雨出现时间的季节统计，最早出现在4月份，最迟出现在11月份。春夏秋季暴雨洪水各占全年的18%、53%和10%，其中以夏季暴雨洪水占比重最大[12]。大降水/暴雨是新疆洪灾重要致灾因子，其影响范围最广、危害最重、发生最频繁，对人类生活影响最大[13]。洪灾多发生在山前冲积洪积平原，伊犁地区因其地形原因,是新疆受洪灾次数最多、范围较大的地区，洪水出现频率大于50%[14]。伊宁县洪水频繁发生，尤其是临近北部山丘前的冲洪积平原区，这给该县的生产活动及居民的人身财产安全造成严重影响，阻滞其经济发展。因此，研究伊宁县的暴雨洪水发生特点，将会为制定防洪措施提供基础数据和决策支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

伊宁县(E81°13′-E82°42′，N43°35′-N44°29′)是伊犁哈萨克自治州设置最久、屯垦最早且人口最多的县，总人口达40.1万人[15]。位于新疆维吾尔自治区西部，天山西段，伊犁河谷中部，县境北起库色木契克河，南至伊犁河，地势北高南低，由东北向西南倾斜，东西长116 km，南北宽95 km，海拔565～3 602 m，总面积6 152.55 km2。属温带大陆性半干旱气候，年均降水量362.8 mm，日最大降水量45.5 mm，无霜期163 d，多年平均日照时数达2 900 h[16]。全县可利用水资源总量47.25×108m3，地表水为43.65×108m3，占可利用水资源的92.38%，其中包括博尔博松河、库鲁斯台沟、曲鲁海河等北山水系中10条河沟，全部水系年均径流量达4.95×108m3[17]。见图1。

1.2 数据源与统计分析

洪水数据来自水利部门防汛抗旱简报(http://www.xjslt.gov.cn/)和新疆伊宁县人民政府网站(http://www.xjyn.gov.cn/)。若报道多个县同时发生洪灾，则用直接经济总损失与县个数的比值来获取伊宁县的经济损失。归纳整理2012-2017年4-9月共计13次的洪灾数据，有1次的洪灾统计未报道洪灾造成的直接经济损失、2次洪灾统计中没有针对受灾面积数据、2次的洪灾统计中未说明具体的发生乡镇。

降雨数据来自新疆天气网(http://www.xjtq.info/)，选取伊宁县2012-2017年4-9月的逐年日降雨数据。结合新疆的气候特点，定义日降水量>24.0 mm为暴雨，日降水量>12.0 mm为大雨，日降水量>10.0 mm为一次大降水日[18-20]。本文采用Excel2016、spss17.0进行数理统计与绘图，运用ArcMap10.2进行伊宁县坡度分析。

图1 研究区地理位置

2 结果与分析

2.1 洪水发生的时空分布

伊宁县降水时空分布不均，冬夏季多于春秋季；山区降水较多，平原及丘陵一带较少；迎风坡多，背风坡少，差异明显，降水变率大，并且夏季降水主要在4-9月份，集中于5-8月份,气温较高，极易出现洪水灾害[18]。洪水受灾面积主要指洪水对种植作物如玉米、小麦、油葵的耕地所造成的破坏。2012-2017年的6年间发生洪水共计13次，毁坏良田78.23 km2。伊宁县暴雨洪水受灾面积月变化见图2。汛期内不同月份洪水受灾面积变化较大，仅6月份造成的洪水面积就达73.31 km2，占整个汛期的93.7%，约为其它月份的70多倍，说明6月份发生的洪水最为严重。

图2 月份尺度暴雨洪水受灾面积变化

从年份尺度看，伊宁县暴雨洪水受灾面积的整体趋势是从2012开始降低，至2014年为最低无洪水发生；同时又以2014年为起点不断上升，于2016年达到局部高峰之后又处于下降趋势(图3)。2015和2016年洪水受灾面积分别达到27.47和42.47 km2，在2012-2017中分别占35.1%和54.3%，表明近几年中2015和2016年是洪水爆发的高峰年。而在洪水发生的年份中，2013年洪水受灾面积仅为2016年的1/50。

图3 年份尺度暴雨洪水受灾面积变化

从空间分布看，伊宁县发生洪水的区域主要位于其南部山前冲积洪积平原区(图4)。该地主要为乡镇所在，人员密集，是洪水发生的主要受灾区。而引发洪水的区域刚好位于伊宁县中部，由西北至东南方向，分布着8条南北走向的河流，中山河流有3条，博尔博松河、吉尔格朗河和匹里青河；低山河流有5条，有布力开河、库鲁斯台河、曲鲁海河、克孜勒布拉克沟、喀赞其河。由图4还可看出，这些河流所在区域地表土层较薄、植被稀少、草地严重退化。统计近5年暴雨洪水数据，青年农场、阿乌利亚乡发生6次，曲鲁海乡、莫洛托乎提于孜乡、温亚尔乡各发生5次，平均每年一次。青年农场、曲鲁海乡、阿乌利亚乡3个地块是洪灾频发区并且地理位置较接近，上部主要是曲鲁海河和库鲁斯台河。喀拉亚尕奇乡上部的匹里青河设有国投水库可对水量适当调控，其它河流下部平原区洪水发生的次数较少。因此，需优先考虑在曲鲁海河以及库鲁斯台河流入乡镇上端设置防洪措施来降低洪水灾害。

图4 伊宁县洪水发生空间分布

2.2 洪水发生的因素

洪水是特大地表径流不能被江河、湖库容纳，水位上涨而泛滥的现象。而暴雨洪水是在4-9月份由较大强度的降雨而形成的洪水，引起江河水量迅速增加并伴随水位急剧上升的现象，又简称雨洪。它是最常见、威胁最大的洪水，给人类正常生活、生产活动带来损失与祸患。洪水灾害的形成受降水、下垫面等自然因素的影响。

2.2.1 降水与暴雨洪水

降水是产生洪水的自然因素，并与暴雨洪水密切相关，短历时暴雨会产生陡涨陡落洪水过程，峰高量小[21]。洪灾发生频次与强降雨量存在极显著相关[22]。新疆气候的暖湿化效应伴随着较高频率的洪涝灾害，尤其是大洪水的发生，导致20世纪90年代以来新疆河流洪水频繁发生。90年代以来灾害性洪水尤其是灾害性暴雨洪水和突发性洪水呈现增加的态势[23-24]。雷杰[16]研究表明，伊宁县4-9月份为农作物的生长季节，其降水量达179.2 mm，占全年降水量的50%。统计新疆伊宁县2012-2017年的降雨量，2015、2016年4-9月份降雨总量较多分别达到294.8、200.5 mm，仅6月份就达73.9、82.7 mm。同时2015、2016年暴雨洪水发生次数较多占统计次数的69.23%。

由图5、图6可知，降雨量与降雨次数、洪水面积与降雨量呈对数关系，表明降雨次数使得降雨总量增加，而降雨总量较多发生洪水的几率也随之增大。

图5 2012-2017年降雨次数与降雨量之间的相关性

图6 2012-2017年降雨量与洪水面积之间的相关性

2.2.2 降雨等级与暴雨洪水

依据新疆降水量级标准[25]，将降雨量按24 h标准依次划分为中雨(6～12 mm)、大雨(12～24 mm)、暴雨(>24 mm)。表1为近几年各等级降雨量所发的次数。由表1可看到，每年汛期降小雨的频次很接近，但洪水的发生与暴雨关系更为紧密。由图7可知，大于24 mm的暴雨发生频次则与洪水发生极显著相关(P<0.01)。2012、2015、2016这3年汛期都有暴雨发生并且洪水发生超过一次。与2014年相比，虽然2013和2017年都没有暴雨发生，但2013年的大雨次数是2014年2倍，2017年的中雨发生的次数也近乎是2014年2倍。由此可以推断出，在新疆各等级降雨量与洪水发生的关系是暴雨>大雨>中雨>微小雨。而当某等级降雨持续性发生并在其它等级降雨中占优势时洪水发生的可能性也会增加。

表1 洪水发生与前期降雨频次

图7 暴雨发生次数与洪水发生次数之间的相关性

2.2.3 地形与暴雨洪水

地形与降水关系十分密切，新疆境内的大降水及暴雨主要在山区周围发生，常常形成极具威胁的山沟洪水，易造成局部洪水灾害[18]。在伊宁县30 m DEM数据的基础上，以坡耕地坡度分级标准[26]为依据，将坡度分为5个等级：Ⅰ级坡度≤2°；Ⅱ级2°～6°；Ⅲ级6°～15°；Ⅳ级15°～25°；Ⅴ级>25°。由图8可以看出，山地的坡度大于25°集中于流域上游的河道两岸，而位于下游的山前平原区坡度低于6°。依据径流产生原理，洪水过程受下垫面的影响可分成产流和汇流两个部分，径流分布主要与产流影响因素有关，而地形主要决定汇流的发生。如陡峻光秃的地形易于快速汇集径流形成洪水，平坦的地形若不易于洪水的排泄则易于形成涝灾[27]。在伊犁河流域利用人工模拟降雨得出坡度是土壤剥蚀的主要因素之一，10°～15°土壤侵蚀较为严重，为洪水形成提供先决条件[28]。据统计，地面坡度2°～15°在伊宁县比重较大，占65.06%，其中仅6°～15°占伊宁县总面积37.14%。经调查，坡度6°～15°是低山河流的分布区，是洪水极易形成的区域，也是汛期防洪的重点，所占面积最大约为平地(0°～2°)的6.5倍。河流沿地形流经坡度低于6°的平缓区，为居民用水提供便利也常常是洪水源头，需要各部门积极做好疏水排水准备，否则洪水一旦发生将会严重影响人们的生产活动，给人们的生活带来损失。

图8 地面坡度分级示意图

3 结 论

1) 洪水发生具有周期性，6月份是降雨较多的季节，也是洪水发生的高频时段。

2) 伊宁县的河流较多，分布密集，中低山区河流(以曲鲁海河和库鲁斯台河为主)下游距农田及居民区很近，是造成洪水经济损失较大的主要因素，也是汛期洪水防治的主要区域。

3) 降雨与洪水发生具有同期性，洪水发生前后伴有持续性降雨的发生。统计5年洪水事件，降雨等级尤其是暴雨与洪水发生显著相关，二者的相关系数达到0.97。

4) 洪水多发生在伊宁县中低山区前坡度低于6°的平原区，高于6°的区域尤其是河流周边给暴雨洪水提供汇水孕灾环境。