玛纳斯河流域防洪水文数据变化特征分析

2021-12-14

水利建设与管理 2021年11期

(新疆玛纳斯河流域管理局，新疆石河子 832000)

1 河流概况

玛纳斯河(以下简称玛河)流域属于新疆天山北坡经济带的重要区域，北部是古尔班通古特沙漠，东西分别与塔西河、巴音沟河流域接壤，南部紧邻哈比尔尕山且被静县所包含。从地理位置看，玛河处在东经85°01′～86°32′、北纬43°27′～45°21′之间，流域面积19800km2。天山北麓依连哈比尔尕山[1]是玛河的“根”，玛河自发源处起全长324km，由南至北贯穿整个噶尔盆地，是融雪型河流的代表。据玛河流域多达7处水文站测算，该河流多年以来平均径流量达12.31亿m3，其中以红山嘴水文站为界，上流集水面积达5156km2，整个上游长度190km。以肯斯瓦特水文站1954—2016年共计63年径流资料为例，肯斯瓦特断面玛河多年平均年径流量12.56亿m3，红山嘴断面多年平均径流量13.41亿m3。通过对上述年份的径流资料进行归纳发现该河径流的年内分配主要集中于6—9月，水量达到全年径流量的80.11%，其中占比最大的月份为夏季的7月和8月，总量占到年径流量的55.34%[2]。

2 洪水成因分析

调查发现玛河的汛期为每年的7月和8月。我们对1953—2007年该流域的水文数据作了综合分析，结果显示历年洪水洪峰流量发生月份在7月和8月的占比达到96%，而其余两年的洪峰流量依然出现在6月下旬至7月上旬。根据气温变化我们推论出该流域洪水的主要成因是积雪融化，7月的高温气温导致山脉的积雪融化，从而显著增大了该流域洪水发生的概率。除此之外，该区域夏季降雨丰富，集中在5—8月的连续降雨成为了洪水暴发的“辅助力量”。以下三种洪水类型是我们按照一般洪水成因对玛河流域的洪水作的三种区分：

a.消融型洪水。随着气温升高，山脉的长期性积雪消融，而洪水的峰量也随着气温变化而改变，有显著的规律性。通过观察发现在整个汛期，洪水很大程度地表现出“一日一峰”的现象，这说明在整个汛期，这类洪水水量占有非常大的比例。

b.暴雨型洪水。暴雨型洪水主要受两个因素制约——天气和地形。暴雨多见于山区中部，丰富的降雨量加上天然的山谷地形使得这类洪水成型速度快、水势凶猛、伴随泥石流等灾害同时发生。但是这类洪水一般峰高量少，所谓来得快去得也快，雨停则洪水灭。

c.综合型洪水。顾名思义综合性洪水的特性包含了上述两种类型洪水的所有特征，是他们的综合体。每年7月和8月都会在玛河流域形成长达两个月的高洪峰、大洪量洪水，伴随两个月连续的高温和高降水量，中部暴雨与上部冰雪消融水形成叠加组成了具有严重破坏性的综合型洪水，这是水利工程和水库工程的主要防范对象。

3 防洪水文数据分析

3.1 水文观测站选取

自1952年起，玛河共设置红山嘴、肯斯瓦特等7处水文观测站(具体水文站信息见表1)。这7处水文站，均由新疆维吾尔自治区水利厅设立，由自治区水文局直接管理。但伴随站点改变和撤销情况发生，截至目前，该河流域仅留存有3处水文站——红霓沟煤窑站、清水河子站和肯斯瓦特站。1995年至今，玛河流域管理处在红山嘴站撤站渠首观测，观测项目为径流。

表1 玛河各水文站基本情况

从表1中可以看出工作时间最久的水文站为肯斯瓦特水文站，其地理位置见图1。该站点处在东经85°57′、北纬43°58′，从站点位置可以看出该站点几乎控制了玛河所有的地表支流。此站于1955年5月始运行，8年后首次做了下迁调动——自原位置向下游迁离了40m。后由于气候原因在1975年做了“停测一年”的整改，停测前后的数据波动可忽略不计，并且能合并统计继续使用[2]。

相较现存的其他两个水文站，肯斯瓦特站点的优势主要表现在规整的测验断面、稳定的河床以及良好的控制条件。此外，该站点管理制度完善，各项资料信息在发布之前均需经过水文资源分局乃至水文资源总局的审查，由此可见此站点的信息精度具有官方验证的准确性。更重要的是该站点具备过硬的检测设备与硬件措施，比如该水文站使用浮标和流速仪做流量测验，而泥沙测验用到了瓶式采样器。蒸发量以20cm蒸发皿观测，降水量观测采用20cm口径雨量器。通过分析收集到的肯斯瓦特水文站测得的连续60余年洪水资料和径流资料，并结合铁道部第一设计院、自治区公路局、新疆农垦总局设计院和石河子水文水资源局等多家单位对玛河历史洪水的调查成果报告，可以汇总凝练出具有权威性和高精度的一手资料，这对整个项目具有重要的意义。

图1 肯斯瓦特水文站位置

3.2 历史防洪水文数据分析

对历史数据作有针对性的分析有助于我们总结事物发展的客观规律，构建一系列方法。玛河的历史洪水调查和考证从未停止过，从1956年至今有超过四家单位参与到这项工作中来，其中1956年铁道部设计院和1977年新疆农垦总局设计院的调查最具代表性与参考价值。前者对1901—1956年间的洪水进行了流量统计并做了排序。此外，他们还由此推得1931年洪峰流量为843m3/s(玛河公路桥附近)、离势系数为0.7、100年一遇洪峰流量为1130m3/s、300年一遇洪峰流量为1331m3/s。后者与石河子水文队合作，针对此项工作前后花费3个月时间做了细致调查，部分调查成果见表2。

表2 玛河干流历史洪水调查成果

3.3 径流特征

新疆北部多数河流属于综合型补给河流，玛河作为北疆关键性河流其径流特征也具有代表性。“水流变化相对较缓、雨水分配集中、气温影响大”是北疆综合型河流最典型的特征。气温变化导致年径流量发生改变，同时降水又制约着这种波动，从而保证了北疆综合性河流多年以来径流量的相对平稳。表3反映了肯斯瓦特水文站径流多年平均月的分配情况(以1954—2007年共54年径流资料为例)。

表3 肯斯瓦特站径流多年平均月分配

3.4 洪峰分析

3.4.1 洪水系列代表性分析

以下是依据肯斯瓦特水文站1953—2007年共计55年的洪峰数据绘制的一系列曲线图，从逐年洪峰流量过程线(见图2)、洪峰流量模比系数差积曲线(见图3)和洪峰流量模比系数逆累进均值曲线(见图4)上可以看出，这系列洪峰曲线图囊括了大、中、小三类洪峰点[2]，由此说明现有洪水系列总体而言具有较好的代表性。

图2 肯斯瓦特站逐年洪峰流量过程线

图3 肯斯瓦特站洪峰流量模比系数逆累进曲线

图4 肯斯瓦特站洪峰流量模比系数差积曲线

3.4.2 设计洪水过程线计算

结合肯斯瓦特断面历史洪水调查成果，观察折线图峰量变化关系并对1906年和1940年历史洪水各时段洪量进行了插补[3]加入，随后将这两年的历史洪水成果与1999年洪水进行第一至第三的等级排序，设计洪水计算时，重现期分别定为100年、50年和30年。根据肯斯瓦特水文站断面1953—2007年共55年实测洪水资料与1906年、1940年历史洪水成果资料，对肯斯瓦特断面设计洪水进行频率计算。连续洪水系列按下列数学期望公式[4]计算经验频率:

式中Pm——第m位洪水的经验效率；

m——洪水峰(量)值按大小顺序排位,m=0,1,2,…,n;

n——洪水峰(量)系列长度。

特大洪水经验频率采用下式计算：

式中M——特大值顺序由大到小排位;

N——调查洪水考证期。

对于剔除特大值后的洪水系列,经验频率则采用下式计算:

式中a——特大洪水个数;

m=L+1,……,n;

L——实测连续系列中特大洪水个数。

统计参数采用矩法初步估算；肯斯瓦特断面历史与实测特大洪水峰、量统计见表4，P-Ⅲ型曲线适线、设计洪峰和各时段洪量计算成果见图5～图8。

表4 肯斯瓦特断面历史与实测特大洪水峰、量统计

图5 肯斯瓦特站最大洪峰洪量频率曲线

图6 肯斯瓦特站最大24h洪量频率曲线

图7 肯斯瓦特站最大3日洪量频率曲线

图8 肯斯瓦特站最大15日洪量频率曲线

典型洪水过程线需按照高精度、高度代表性和高影响力度三种指标[5]来选取，此项工程如实考虑了上述三种指标并选取了符合标准的线型。通过对肯斯瓦特站近50年实测洪水过程线的分析，认为1996年洪水满足上述要求，因此在本阶段工作中以1996年洪水过程线作为设计洪水的典型线。利用同频率法计算设计洪水过程线，接着根据系列峰、量频率求得确定的各重现期的设计值，洪峰与各时段洪量分别采用不同的缩放倍比，采用同频率法[6]推求设计洪水过程线。首先对洪峰的洪量进行单位换算，然后经分析选定典型洪水过程线，通过面积包围法计算各时段洪量，从而推算各时段放大倍比K。K值的计算公式如下：

最大1日洪量的放大倍比K1为

最大3日洪量的放大倍比K3-1为

最大7日洪量的放大倍比K7-3为

洪峰的放大倍比KQ为

式中Qmd——典型洪水洪峰流量,m3/s；

Qmp——设计洪水洪峰流量,m3/s；

W1d——典型洪水最大1d洪量,106m3;

W1p——设计洪水最大1d洪量,106m3;

W3d、W3p、W7d、W7p以此类推。

缩放系数K值计算成果和断面设计洪水线结果见表5(截取部分)。