新疆小流域山洪临界雨量分析计算——以天山北坡巴音沟河流域为例

（新疆石河子市巴音沟河流域管理处，石河子市，832116） 马红刚

引发中小河流洪水灾害和山洪灾害的外动力因素是降雨，当降雨达到一定的量级或强度时才引发中小河流洪水灾害和山洪灾害。临界雨量是指在一个流域或区域内，某一时间段内降雨量达到或超过某一量级和强度时，该流域或区域将发生山溪洪水、泥石流、滑坡等山洪灾害，这个降雨量或降雨强度称为该流域或区域的临界雨量（强）。临界雨量是中小河流洪水预警预报作业的重要基础，在水文站点缺乏的地区只能通过临界雨量进行预警;在有水文站点的地区，因流域坡度陡、面积小，从降雨发生到灾害出现往往时间较短，预报的见期亦非常短，尤其是水文站点与防护对象同区时，只能根据临界雨量进行预警。因此，临界雨量的分析计算对中小河流洪水预警预报作业有着重要的意义。近年来，随着中国国力的提高，国家大力发展自动气象站、通讯基站的建设，同时伴随着4G网络和手机通讯手段的提高，随着这些气象站通行基站在县乡甚至村一级的加密布置，可以轻易的获得自动气象站数据的降雨数据，使得临界雨量指标的研究分析更加方便，临界雨量的防洪减灾的效用得以提

1 研究临界雨量的方法

近年来，国内外学者在临界雨量方面做了很多有益探索，方法归纳起来主要分为理论方法和经验方法两大类。理论方法以山洪灾害形成的水文学、水力学过程为基础，具有较强的物理机制和推导过程，主要包括水位反推法、土壤饱和度－降雨量关系法、暴雨临界曲线法等。水位反推法以洪水与暴雨同频率为基础，结合历次灾害水位及防洪工程情况计算分析临界雨量，在实际应用中有一定的参考价值。经验方法无明显的推导过程和物理机理，对资料要求不高，主要依据地理条件相似性、事件相关性等原则确定山洪灾害临界雨量指标，有资料地区主要采取统计归纳法，统计归纳法通过对不同雨量站历次灾害资料进行统计分析，计算得到临界雨量，该法按范围不同又可分为单站临界雨量法、区域临界雨量法等。鉴于此，本文主要基于区域临界雨量法和水位反推法分析计算确定临界雨量。

2 区域山洪临界雨量的分析计算（区域临界雨量法）

2.1 资料收集与统计

首先根据区域内各雨量站历史山洪灾害发生时间表，收集对应的雨量资料（区域内只要有一个站发生山洪，视为该区域内发生了山洪，则区域内所有雨量站都要收集和统计对应的降雨过程资料），降雨过程的划分与单站方法相同。

计算区域内与历次山洪灾害对应的各时段最大面平均雨量，假设区域内共有S个雨量站，共发生山洪灾害N次，共统计T个时段的面平均雨量，面平均雨量计算可采用算术平均法、泰森多边形法、雨量等值法等多种方法，根据典型区域的实际情况而定，但要保证计算得到的面平均雨量的精度。Rtj为t 时段第j 次山洪灾害对应雨量过程中的最大面平均雨量（通过滑动平均得出），则区域内各时段有N个（每场灾害一个）最大面平均雨量值。

2.2 区域临界雨量的初值确定

统计N 次山洪灾害各时段最大雨量面平均值的最小值，即为各时段区域山洪临界雨量初值。

2.3 区域临界雨量分析

（2）区域山洪灾害临界雨量，可作为判别区域内有无山洪灾害发生的定量指标，因在统计山洪灾害次数时，只要区域内有1个站发生了山洪灾害，就认为区域内有山洪灾害发生。因此，它无法判别区域内受灾面积的大小及灾害严重程度（面降雨量越来大于临界雨量，灾害将越严重），但这种方法对资料要求不高，对于雨量站密度相对较小的区域，比较适用。

3 临界雨量分析计算实例

3.1 巴音沟河流域概况

巴音沟河流域远离海洋，地处欧亚大陆腹地，位于新疆天山北坡中段，准噶尔盆地南缘，东与金沟河相邻，西与奎屯河接壤，南抵依连哈比尔尕山脉的哈尔阿特河33 号冰川，北达古尔班通古特沙漠。其地理位置介于东经84°45′～85°27′，北纬43°29′～44°58′之间。巴音沟河发源于天山北坡高山带，既有高山冰川和永久性积雪补给，又有中、低山区季节性积雪和夏季降水补给。巴音沟河储冰量92×108m3，折合水量74×108m3，年平均融水量1.50×108m3～2.00×108m3，径流量由冰川融水约占年径流量的25%～35%、降雨融雪混合补给约占年径流量的45%～55%，地下水约占年径流量的15%～25%组成。海拔3 800m 以上的冰川和永久性积雪为河流提供了充足的水源。地貌总体上从南到北依次为山地一前山丘陵一山麓倾斜平原一冲一湖积平原。

3.2 流域内自动气象站和水文站概况

水文站：喇嘛庙水文站隶属新疆乌苏市，巴音沟河引水枢纽水文站隶属新疆石河子市，安集海水库水文站隶属新疆石河子市；本文中的洪水数据使用巴音沟河引水枢纽水文站数据。

自动气象站：建成6处，可以使用3处。新疆气象台2014 年在巴音沟河牧场（隶属新疆乌苏市），2014年鹿角湾景区（隶属新疆沙湾县），2011年在巴音山庄景区（隶属新疆石河子市），设立自动气象站。降雨数据使用以上三处自动气象站。数据来源于新疆气象台网站。

3.3 临界雨量分析计算前说明

统计2014年以来的洪水资料，和洪水管理实际经验，对应研究相应时间点，前1h，前3h，前6h，前1d，前2d，前3d。研究发生洪水和不同时间范围内发生降雨之间的关系。

受气象站统计降雨数据限制，对10min和30min的降雨无法获取，在此不做研究，由于巴音沟河发生连续两天和连续三天发生2 次洪水情况较多，如果将这种连续洪水第二次洪水列入研究范围,将会将导致计算出来的1h，3h，临界雨量初值拉低，导致计算和分析结果无法使用。第二次洪水不作为研究对象。为了涵盖这种情况，在原研究基础上增加了前2d，前3d降雨。

（1）洪水与对应降雨表

根据区域发生山洪灾害时间，统计分析该山洪灾害发生时前所对应的最大1h、3h、6h、1d、2d、3d的降雨量，根据历次灾害雨量合理确定各时段临界雨量，结果如表1所示。

表1 典型山洪洪水与降雨表

把下游洪水发生的时间，通过多年洪水工作经验，回归到上游各支流初始洪水汇流时间。由于降雨从降雨点到巴音山庄时间不同，鹿角湾设定为提前2h，巴音沟牧场设定为提前2.5h，巴音山庄为提前0h。通过数据降雨时间点和洪水发生时间对照，满足经验方法。由于自动气象站的相对距离较小，都小于25km，计算时继续合并计算。

（2）计算过程及结果

巴音沟河山洪典型区临界雨量(mm)

洪峰20140715 20150627 20160629 20160707 20160711 20170622 20170715 20180813最大最小平均临界雨量1h 7 5.5 9.1 10 8.8 12.1 18.1 5.8 18.1 5.5 9.55 5.5-9.55 3h 9.6 10 16.7 10.1 9 50.8 27.4 9.5 50.8 9 17.89 9-17.89 6h 13.6 24.5 17.2 10.3 9 53.1 27.5 21.5 53.1 9 22.09 9-22.09 1d 13.6 24.5 18.4 52.9 18 57.2 66.1 29.8 66.1 13.6 35.06 13.6-36.06 2d 19.5 24.5 18.4 63 22.5 65.1 66.6 29.9 66.6 18.4 38.69 18.4-38.69 3d 19.5 24.5 18.4 63 31.9 65.1 70.2 29.9 70.2 18.4 40.31 18.4-40.31

4 水位反推法分析计算

4.1 水位反推法

假设洪水与暴雨同频率，主要思路和方法如下。

（1）根据流域内水闸具体情况、历史洪水灾害发生位置等选取控制断面，分析确定历史最高水位、警戒水位（威胁水闸安全，准备转移的水位）、危险水位（水闸可能随时发生险情，需立即转移的水位），根据水位流量关系，计算各控制水位对应的流量Q警戒、Q危险。

（2）进行洪水计算，确定各暴雨频率P下降雨形成的断面洪水过程线，并绘制各频率洪水洪峰流量与暴雨频率的关系曲线图Qmax，p～P。

（3）从Qmax，p～P关系曲线上查得与Q 警戒、Q危险对应的频率值P警戒、P危险。

根据P 警戒、P 危险，由频率计算得到各时段（1、3、6、24、48、72）警戒雨量、危险雨量。

4.2 警戒水位、危险水位，对应的警戒流量，危险流量

首先确定突发洪水可能影响水闸安全，加大观察的水位和流量，再确定水闸可能失事，人员立即转移的水位和流量。然后通过水位流量关系图确定流量。

巴音沟河渠首拦沙库闸为5m 宽4m 高4 孔闸，泄洪时为四孔闸全部提空，适用堰流公式，式中的m 为流量系数，b 为闸宽，e 为启闸高度，h 为闸前水位，g 为9.8，由于是堰流，e等于h。

（1）流量系数的确定：

黄河水科院按照1:40 的比例，制作模型，验证溢流堰和水位关系图，

溢流堰水位流量关系

黄河水科院为巴音沟河渠首改建工程通过试验测算堰流的流量系数为0.434。由于改建工程即将实施，改建工程的溢流堰为40m 宽，而现有水闸工程闸底宽合计20m。通过水闸运行单位下游引水闸实测比较和试验测算结果较为接近，所以在此流量系数选用0.434。

简化为：

将各水位带入式中得到以下水位流量曲线：（见图1）

图1

巴音沟河拦沙库闸为中性拦河式水闸，河坝宽550m，闸前淤积严重，水闸即将进行除险加固，水闸过水能力不足降为200m3/s,在此将200m3/s设定为危险流量和对应危险水位3m。巴音沟河汛期日常运行流量为30m3/s 至60m3/s，在此将65m3/s 设定为警戒流量和对应警戒水位1.4m。

（2）洪水警戒频率，洪水危险频率

将1958 年至2018 年，（1981 至1987 年暂缺）的洪峰数据，利用综合单位线法计算得到该流域各设计频率P下的设计洪峰流量Qmax，p，点绘两者之间的关系（见图2）

根据Q警戒、Q危险，从图2中查得警戒和危险状态时的频率P警戒、P危险分别为80%、10%。由各时段暴雨序列资料，采用PⅢ频率曲线分析得到相应时段的设计暴雨参数，结果见表2。由各时段暴雨PⅢ频率曲线，计算得到各时段对应频率的警戒雨量、危险雨量（见表2）。

图2

（3）暴雨警戒频率，暴雨危险频率

水位反推法是基于暴雨、洪水同频率的假定，即临界流量与临界雨量对应的频率一致。根据防灾对象的实际情况，确定防灾对象附近沟道控制断面上可能发生山洪灾害的临界洪水位。根据水位-流量关系反推出临界流量及相应频率。基于同频率的假定，利用水文气象资料确定临界雨量频率对应的设计面暴雨量值，最终利用暴雨公式确定防灾对象各典型预警时段对应的临界雨量值。制作不同时间暴雨频率曲线图

（4）水位反推法结论

通过在图表中查得

72h 69 22频率10 80 P危险P警戒洪水207 65 1h 16 5 3h 31 10 6h 38 12 24h 60 19 48h 60 19

5 综合区域临界雨量法和水位反推法确定临界雨量指标（见表2）

表2 巴音沟河山洪典型区临界雨量(mm)

6 结语

巴音沟河流域是典型的山区小流域，坡降较陡，局部暴雨强度大，洪水具有汇流时间短、流速快、冲击力大、破坏性强等特点，极易造成水土流失，大量泥沙、卵石被冲入河道，淤积河道，抬高河床，严重威胁到两岸的村庄和农田，冲毁水利设施和道路工程，危及人民群众生命财产安全。天山北坡是新疆经济发展最快的地区，新疆巴音沟河流域位于天山北坡中段沙湾县境内，巴音沟河上游的鹿角湾景区，中游的安集海大峡谷景区，临近的独库公路，待普僧景区，来往这些地方多为山区公路，都是新疆著名的自驾游旅游景点。同时本地区也是牧区、煤区、景区，研究本地区的临界雨量，可以为牧区牧民、游客、牲畜以及煤矿避免泥石流和山洪的做出风险预警。

通过山洪灾害临界雨量计算分析方法，并初步确定了巴音沟河小流域山洪灾害临界雨量指标，采用区域临界雨量法和水位反推法，确定巴音沟河小流域1h、3h、6h、24h、临界雨量值；另外，考虑山洪灾害当天雨量和前期有效雨量的关系，增加了48h、72h雨量统计，建立了临界雨量指标，巴音沟河临近四棵树河，奎屯河，金沟河，宁家河，玛纳斯河，塔西河，通过研究巴音沟河临界雨量可以为临近河流研究临界雨量，提供比拟对象。临界雨量的确定为管理巴音沟河渠首管理山洪型洪水提供了基础理论依据，为巴音沟河渠首洪水预警提供了依据，也促使下游安集海灌区防洪体系更加完备。为该地区区洪水预报工作提供一定的参考价值。