新疆天山北坡巴音沟河洪水研究

马红刚 张金宝 贾伟康

(1.新疆石河子市巴音沟河流域管理处，新疆 石河子 832000；2.新疆石河子水利工程管理服务中心，新疆 石河子 830052)

1 引 言

天山北坡经济带是“一带一路”在新疆的核心区之一，1996年、1999年两次群发的暴雨加冰川融水特大混合洪水，对天山北坡地区造成了很大的破坏和严重经济损失。本文通过对已经发生的典型洪水案例进行分析，研究洪水与气温和降水因素关键指标之间的关系。通过监测这些关键指标，对即将发生的洪水进行预报预警和预测，以达到减少洪灾造成损失的目的。

2 流域概况

新疆巴音沟河是天山北麓10条中小河流之一，位于新疆沙湾县和乌苏市的交界处，全长140km。河流发源于天山北坡依连哈比尔尕山脉哈尔阿特河33号冰川，北至准噶尔盆地南缘，西临奎屯河和四棵树河，东抵金沟河和玛纳斯河，具有新疆冰川河流的典型特征，其地理位置介于东经84°45′～85°27′、北纬43°29′～44°58′之间，见图1。

图1 巴音沟河位置

2.1 水文径流

巴音沟河年均径流量3.1亿m3,最大年均径流量4.33亿m3(2007年)，最小年均径流量2.2亿m3(1992年)。巴音沟河发源于巴音沟河流域高山冰川，既有高山区冰雪融水洪水补给和高山区暴雨混合洪水补给，又有中低山区暴雨山洪补给和融雪洪水补给。高山冰川储冰92亿m3，折合水量74亿m3，年平均融水1.50亿～2.00亿m3，其中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%，中低山区暴雨山洪补给约占年径流量的1.2%。从径流补给组成来看，巴音沟河径流除20%左右为地下水补给形成，其余80%径流由洪水组成，可以说巴音沟河是洪水造就的河流。巴音沟河径流补给组成见图2。

图2 巴音沟河径流补给组成

发源于天山冰川的巴音沟河的河流年径流主要依靠汛期6、7、8、9月高山冰川融雪洪水(含地下水)，这四个月径流占年径流的83%。7、8月径流占年径流的58%。汛期主要依靠冰川融雪洪水和地下水的稳定补给，每年至少可达2.0亿m3。而降水和暴雨引发的混合洪水径流补给相对不稳定，每年在0.2亿～2.4亿m3之间。巴音沟河月均流量变化特征见图3。

图3 巴音沟河月均流量变化特征

2.2 气温特点

依据巴音沟河渠首水文站1988—2010年气温数据(见图4)可知：巴音沟河多年平均气温为7.19℃，春、夏、秋、冬季多年平均气温分别为9.03℃、23.5℃、7.91℃、-11.67℃。1月平均气温为全年最低值，为-14.13℃，7月平均气温为全年最高值，为24.32℃。

图4 巴音沟河月均气温变化特征

2.3 降水特点

巴音沟河渠首水文站多年年平均降水量为240.6mm，春、夏、秋、冬多年平均降水量分别为70.03mm、95.91mm、48.85mm和25.80mm。巴音沟河夏季降雨约占全年降雨的40%，对洪水形成影响较大。巴音沟河月均降雨量变化特征见图5。

图5 巴音沟河月均降雨量变化特征

2.4 降水垂直地带分布

查询新疆气象台自动站数据，巴音沟河降水垂直分布整体呈“S”形，存在林线2200m和雪线附近4000m两个降水高值区，见图6。在海拔2200m附近，降水随海拔的增高总体呈线性增加趋势，每爬升100m平均降水增量为22mm，这一现象受地形影响较大，见图7。水汽在行进过程中遇高大山体阻挡被迫沿山体爬升，由于温度降低水汽凝结形成了降水，所以在海拔2200m林区附近，形成第一个降水高值中心，水汽在继续行进过程中受地形起伏的影响较大，到达背风坡的水汽减少，降水量减小。由于天山主峰继续阻碍水汽的爬升，所以在海拔4000m迎风坡雪线附近形成第二个降水高值中心。

图6 巴音沟河降水垂直分布

图7 巴音沟河纵剖面图及垂直自然地带

2.5 中山带森林

森林植被受地形和气候的影响，植被类型具有完整的山地植被垂直带谱，由上而下为高山冰川带、亚高山草甸带、中山森林草甸带、低山草原带。在岩石裸露的阴坡有较大面积的云杉纯林。天山云杉森林生态系统对降雨分配的影响规律为树木蒸腾>土壤蓄水>林冠截留>土壤蒸发>地表径流>地下径流。天山云杉对降雨的拦蓄效果明显。由于天山云杉森林这一“绿色水库”对短时降雨的拦蓄效果较好，所以云杉森林林区不易发山洪。林区以上是高山草甸，由于海拔升高，温度降低，降水以降雪的方式进行，所以总体来说林线以上高度不易形成山洪。巴音沟河云杉森林分布见图8。

图8 巴音沟河云杉森林分布

3 典型洪水案例

3.1 典型低山带融雪洪水(春洪)

2017年3月29日17时发生低山带融雪洪水，洪峰6.2m3/s,持续洪水过程3天，见图9。

图9 2017年3月融雪型洪水过程

3.2 典型高山带融雪融冰洪水

2020年8月2—11日发生高山带冰川融水洪水，洪峰呈一日一峰一谷，连续多日重复出现，洪峰与洪谷比为2～2.5∶1，见图10。

图10 2020年主汛期典型冰川融雪洪水日变化规律

3.3 中低地山带暴雨洪水

3.3.1 短时强降雨洪水

2017年6月22日下午，鹿角湾自动雨量站监测到19时1h内降雨42mm,3h后发生105m3/s洪峰，洪水5min内从32m3/s提高到105m3/s增加73m3/s，2h后退去。1h内降雨42mm是发生此次山洪的主要原因。此次洪水过程见图11。

图11 2017年6月巴音沟河1号洪水过程

3.3.2 短时弱降雨洪水

2020年8月4日下午，巴音山庄自动雨量站监测21时发生1h内3.3mm的弱降雨，21时30分开始涨水，洪水30min内从28m3/s提高到70m3/s，增加42m3/s，2h后退去。洪水从降雨到发生山洪不足30min。1h内降雨3.3.mm是发生此次山洪的主要原因。此次洪水过程见图12。

图12 2020年8月巴音沟河2号洪水过程

3.3.3 中低山带暴雨+冰川融雪洪峰河道叠加洪水

2016年6月29日下午，巴音沟牧场自动雨量站监测到22时1h内降雨8.3mm,2h后发生86m3/s洪峰，洪水5min内从20m3/s提高到86m3/s，增加66m3/s。1h内降雨8.3mm是发生此次山洪的主要原因。此次洪水急涨缓落，兼具两种洪水特征，详细过程见图13。

图13 2016年6月巴音沟河1号洪水过程

3.4 混合洪水(高山暴雨+冰川融雪洪水)

1996年主汛期混合洪水。1996年7月降水量总和约为50.2mm,其中发生洪水的几天降水量分别为16日3.2mm、17日11.8mm、18日0.7mm、19日0.6mm、20日22.8mm。大范围低强度长时间的降雨，短时间并没有导致高山区降温，而7月下旬正值冰川融化的高峰期，降雨加速了冰川融化，导致新疆天山北坡发生大范围洪水。随着降雨的继续，气温和高空气温下降，冰川融雪洪水减弱，虽然发生降雨和局部山洪，但是洪水总量在减弱。17日11.8mm降雨是此次洪水的主要诱因，7月下旬和8月上旬高空0℃层快速上升是导致冰川快速融化产生此次洪水的主因。此次混合洪水过程见图14。

图14 1996年7月混合洪水过程

3.5 突发洪水

溃坝洪水是由于挡水建筑物突然溃决发生水体突泄所形成的洪水。2003年巴音沟河由于机械故障发生过一次溃坝洪水，突发山洪不大，但是库水叠加导致溃坝洪峰339m3/s，由于此次洪水是人为失误导致，非自然发生，故不作重点研究。

4 洪水分析

本研究选取巴音沟河渠首站径流量代表巴音沟河流域洪峰。经统计分析可知，巴音沟河流域近60年(1958—2020年，缺1981—1987年)最大洪峰为339m3/s(2003年溃坝导致突发洪水)；第二大洪峰为325m3/s(1967年)；最小洪峰为46.64m3/s，出现在1993年，逐年洪峰统计见图15。

图15 巴音沟河逐年洪峰统计

4.1 中低山带融雪洪水

中低山带(2200m以下)秋冬季降水以冰雪状态蓄积，每年3月下旬，由于天山北坡地表气温持续升高，每日12—14时到达顶峰，阳坡积雪午后快速融化，当地表积雪上中下温度都超过0℃时阴坡积雪融化，缓慢汇入河道形成融雪性洪水，此类洪水的主要影响因素有：中低山带的积雪厚度、地温差和气温。巴音沟河融雪洪水洪峰一般为4～15m3/s,发生在下午18时左右，洪峰较小，洪量较小，呈急涨缓落的特征，见图16。

图16 2017年3月融雪洪水雪温特征

4.2 高山带冰川融雪洪水

随着6月上旬气温持续升高，高空0℃层高度不断升高，高山区较低冰川积雪开始融化，冰川融雪过程开始，随着气温不断升高，高空0℃层高度超过4000m，冰川融雪过程在7月底达到最高峰，随着气温逐渐降低，9月下旬高山冰川融雪过程结束。汛期相近冰川的河流径流跟随高空0℃层最低高度变化而变化，当高空0℃层最低高度不变或者升高时，河流径流会发生缓慢升高，当高空0℃层最低高度降低时，河流径流随后会减少。这说明高空气温0℃层最低高度是影响冰川融雪洪水减小的关键因素，见图17。

图17 2020年汛期高空0℃层最低高度与巴音沟河汛期径流变化特征

2020年，利用出山口当日气温变化过程模拟当日冰川的气温变化过程，利用出山口流量倒推12h前冰川融雪洪水过程，可以发现冰川融雪洪水和日气温变化关系显著。当日气温在32～20℃之间连续呈一峰一谷往复规律时，冰川洪水在56～20m3/s之间连续呈一峰一谷往复变化。这说明出山口日内气温变化是影响冰川融雪洪水日内流量的关键因素，见图18(巴音山庄日温度变化数据来自石河子气象台巴音山庄自动气象站，巴音沟河日流量变化数据来自巴音沟河渠首水文站)。

图18 2020年主汛期典型日气温变化与冰川融雪洪水径流变化

汛期相近的四棵树河、奎屯河、巴音沟河、金沟河早8时流量变化，受高空气温0℃层最低高度变化影响，当0℃层最低高度在3900m以上变动时，4条河流径流随0℃层最低高度变化总体呈缓慢上升的趋势；当0℃层最低高度在3900～3700m时，4条河流径流随0℃层最低高度变化而变化；当0℃层最低高度突然低于3700m时，径流会发生5天左右的低谷区，见图19～图20(0℃层高度数据来自石河子气象台，四棵树河、奎屯河、金沟河早8时流量数据来自新疆水利厅网站水情日报，巴音沟河流量数据来自巴音沟河渠首水文站)。

图19 2019汛期0℃层最低高度与天山北坡西段河流径流变化特征

图20 2020年汛期0℃层最低高度与天山北坡西段河流径流变化特征

4.3 中低山带暴雨洪水(山洪)

渠首水文站统计的2016—2020年巴音沟河汛期发生的20次洪水全部为山洪，全部与中低山带降雨有关，且降雨全部发生在海拔844～2200m之间。由于海拔2200m林线以下植被覆盖较差，午后至傍晚地表温度高，与周边林区温差大，水汽被迫抬升，夏季易诱发强对流天气，形成暴雨山洪。这一区域易发山洪，1h内5mm以上的降雨对形成山洪影响最大，短时间降雨和此类山洪关系良好，见图21(降雨数据来自新疆气象台自动雨量站)。

图21 2015—2020年洪水统计

4.3.1 降雨和山洪的时间分布

中低山带致洪降雨时间分布在13—22时，降雨集中在17—22时，洪水时间分布在14时至凌晨1时，洪水集中在19—24时。降雨和洪水之间平均有3h左右的流程时差。最快有1h最慢有6h的流程时差，说明山洪和降雨关系显著，见图22。

图22 降雨时间和山洪时间变化特征

4.3.2 暴雨山洪发生区域分布

暴雨山洪发生在海拔2186m鹿角湾自动雨量站附近7次，海拔1675m巴音沟牧场自动雨量站附近6次，海拔844m巴音山庄自动雨量站及低山区4次；在中低山区，降雨量随海拔升高而升高，山洪随短时降雨增多呈增加趋势；林区以上没有发生过洪水，见图23。

图23 暴雨山洪发生区域

4.3.3 致灾降雨的量级

42%的山洪由10mm以上的短时强降雨形成，1h内强度越高发生山洪的可能性越高，反之越低；32%的山洪由5～10mm的短时弱降雨形成；26%的山洪由0～5mm的短时弱降雨形成。降水较少也可能发生山洪。见图24。

图24 致洪降雨强度分析

4.3.4 山洪的峰值

在巴音沟河的洪水中，40%洪峰为60m3/s以下，50%洪峰为60～120m3/s，10%洪峰大于120m3/s。近5年最大山洪峰为154m3/s，发生在2016年8月7日。

4.3.5 暴雨山洪特点

巴音沟河山洪易发生在巴音山庄至巴音沟牧场和鹿角湾这一三角区域。中低山短时降雨易发山洪，虽然洪水总量只约占全年径流的1.2%～4%，但是此类洪水从降雨发生到山洪暴发，一般在20min以内；从降雨发生至到达引水枢纽一般在1～6h；洪水到达引水枢纽后，一般在6～20min内，在冰川正常融水的基础上涨水15～120m3/s；1～2h左右洪水会退去。在巴音沟河此类洪水每年6—8月间会发生3～6次。此类洪水的主要影响因素为上游短时降雨。由于巴音沟河山洪洪峰一般为50～160m3/s,洪水集中在19—24时，上游发生降雨1～6h后，洪水到达，洪峰急涨急落。洪峰高、洪量小是巴音沟河汛期最常见的洪水特征。

4.4 高山区暴雨+冰川融雪混合洪水

1999年7月下旬和8月上旬，巴音沟河高山区气温持续升高,高空0℃层快速上升，高空0℃层维持在4600m以上使高山冰川快速融化是发生此次洪水的主因。7日洪量5677万m3，占全年径流的14%，洪峰高、洪量大，对水利工程、桥梁、铁路、水库影响较大。8月降雨量全月总和大约是106mm,其中洪水发生日前一天8月1日降水量为23.8mm,8月2日降水量为1.5mm，8月3日降水量为8.2mm，8月4日降水量为5.1m，与此同时，8月1日晚至8月2日凌晨巴河源头又下了23.8mm的中到大雨,是形成8月2日降水融雪型特大洪水的主要诱因。大范围强降雨导致高山冰川加速融化，形成混合洪水。此次洪峰过程为双峰型，7月27日96m3/s洪峰、7月27日165m3/s洪峰，与之前一天10mm和27mm的大范围降雨相关。见图25。

图25 1999年8月混合洪水

玛纳斯河1999年的洪峰也呈双峰型,第一次洪峰出现在7月20日,洪水形成区域集中在玛纳斯河分水岭处。第二次洪峰出现在8月2日,洪峰最大流量为1095m3/s。混合洪水形成条件较为苛刻，一般要在7月15日—8月10日，此时冰川融水进入活跃期，高空0℃层高度在雪线以上，即3900～5500m，高山区较高位置发生大范围暴雨后,易发混合洪水。

4.5 天山北麓河流混合山洪水平方向洪水规律

无论是突发的中低山带暴雨洪水，还是群发的高山带暴雨混合洪水，总体来说，所有降水的运行路线均为四棵树→奎屯河→巴音沟河→金沟河→玛纳斯河→塔西河→呼图壁河→三屯河→头屯河→乌鲁木齐河。

5 结 论

a.在冰川融雪洪水预测方面，可利用汛期0℃层高度预报先于冰川融水洪水变化的特点，通过对0℃层高度监测，对未来一周内冰川融水洪水径流过程进行提前5～7天预测。0℃层最低高度突然降低，对径流减小影响较大，因此应特别关注。也可利用汛期出山口日气温变化模拟上游高山冰川日气温变化，发现日气温变化与日冰川融水过程变化相近，则通过监测出山口气温变化可对日内冰川融水过程进行提前8～14h的短期预测。

b.在低山带山洪预警方面，天山北坡中山带林区对拦蓄降雨减少山洪形成起到了较为明显的作用，据观测，林区以上不易发生山洪。汛期重点关注低山带三个自动雨量站，1h内不小于5mm的降雨量导致山洪发生的可能性较大，可以利用1h降雨量对未来1～6h山洪进行短期流程时间差预警。这类洪水突发性强、洪峰高、洪量小，涨水特别快落水也快。

c.在混合型洪水预警方面，每年的7月15日—8月10日是冰川融化高峰期，0℃层高度的异常升高加上全疆大范围降雨，可能导致暴雨+冰川融雪洪水，这类群发洪水，洪峰高、洪量大，对工程危害最大。

d.有关天山北坡年内汛期0℃层高度变化对冰川融水径流变化影响的研究文献较少，应当加大对0℃层高度的研究。