库尔勒市山洪灾害预警指标分析

2023-10-12王磊

海河水利 2023年9期

王磊

（新疆维吾尔自治区巴音郭楞水文勘测局，新疆库尔勒 841000）

为了提高库尔勒市山洪灾害防御能力，为市、乡镇和村级的山洪灾害预案编制、转移路线确定、临时安置、防灾意识普及、群测群防等工作提供科学、全面、详细的信息支撑，本次以园艺场（牧区）、莲花社区（村庄）所在小流域为典型实例，对库尔勒市山洪灾害预警指标确定进行分析。

1 概况

库尔勒市位于天山支脉霍拉山南麓、塔里木盆地东北边缘，是巴音郭楞蒙古自治州的首府和政治、文化、经济中心，总人口57 万人[1]。库尔勒市东部、北部以铁门关峡谷为分界线，西北为霍拉山，东部为库鲁克山的天山支脉山系，山体总的地势西高东低。库尔勒市属暖温带大陆性干旱荒漠气候，夏季炎热少雨、冬季寒冷少雪，昼夜温差大，多年平均年蒸发量为2 772.8 mm，多年平均年降水量为62.7 mm[2]。

2 山洪灾害分布区域与特点

2.1 山洪灾害分布区域

库尔勒市山洪灾害主要由暴雨洪水形成，涉及人口密集的北山区、开发区、塔什店区，总面积约1 900 km2。其中，北山区位于霍拉山低山区，海拔1 100～1 600 m，侵蚀、冲刷、崩塌等物理地质现象较多，洪水挟带砂石数量很大；开发区坐落在砂砾石戈壁滩上，地势由东北向西南倾斜，洪水主要来源于东山，海拔一般为1 200～1 400 m；塔什店区属焉耆盆地区，山岩风化严重，岩石裸露，多裂隙，少植被，遇暴雨易发生山洪灾害。

库尔勒市山洪灾害易发点主要集中在454 个小流域，最大最长汇流路径30 402 m，最长河段23 km。

2.2 山洪灾害特点

库尔勒市暴雨洪水主要是春季的融雪型洪水（4—6月，部分小河沟发生在3—4月）和夏季的暴雨型洪水（6—8月暴雨季节）[3]，主要有以下特点。

（1）突发性强，预报、预测、预防难度大。由于主要受突发水流（洪水）的影响，再加上狭窄的沟谷地形，洪水形成往往十分突然、迅猛强烈，具有流动速度快、历时短的特点，有时从发生到结束仅0.5 h 左右，瞬间流速可达20 m∕s。这种突发性，不仅加重了灾情，而且难以进行准确的预报和有效的防范。

（2）来势猛，成灾快，破坏性强。洪水对工矿、交通设施、居民危害很大，容易造成民众生命财产损失。

（3）区域性明显，季节性强，频率高。山洪具有明显的区域性，主要集中在山前一带；降水较多的年份，山洪发生频次也明显偏高；每年的雨季为山洪多发期，库尔勒市近几次规模较大的山洪均集中发生在多雨年份的降雨高峰期5—8 月，具体发生时间大多数与降雨同步或短期滞后。

（4）水毁工程恢复难度大。山洪灾害往往对水利、交通、矿业、电力、通信、农田等基础设施造成毁灭性的破坏，数十年的建设成果被毁于一旦，山洪毁坏的农田等基础设施几年甚至十几年难以恢复，这给灾后重建家园、恢复生产和群众的生活带来了很大的困难。

3 山洪灾害成灾流量分析

3.1 水位流量关系

获取山洪灾害防灾对象所在控制断面的水位流量关系曲线是确定暴雨预警指标的关键[4]。在库尔勒市的山洪灾害分析评价中，按以下方式获得水位流量关系曲线。

（1）比降确定。经调查，园艺场和莲花社区没有用历史洪痕信息计算分析水面比降的实例，因此，计算比降时，有水面的沟道采用水面比降，没有水面的沟道采用河床比降作为水位流量转换中的坡降，由此确定园艺场比降为0.016 08、莲花社区比降为0.046 8。

（2）糙率确定。经调查，无法采用实测水文资料反推糙率，主要根据天然或人工河道典型类型和特征情况下的糙率以及历史洪水资料中的糙率值计算水位流量转换中的糙率，由此确定园艺场糙率为0.028、莲花社区糙率为0.03。

（3）漫滩、漫堤水位线的处理。采用曼宁公式计算水位流量关系时，在河漫滩或堤防的位置，当河水漫滩或漫堤时，过流面积增加不大，而湿周急剧增大，水力半径将出现减小的情况。为了避免漫滩漫堤时水位流量关系曲线出现错误，计算漫滩漫堤流量时，在漫滩漫堤处将断面分开，然后分别计算主河槽流量及漫滩、漫堤流量，再将各个流量计算结果相加，得到总流量。其计算公式为：

式中：A为过流面积（m2）；R为水力半径（m）；J为河道坡降；n为河道糙率；Q为流量（m3∕s）；v为流速（m∕s）。

3.2 水位流量关系曲线

应用曼宁公式计算园艺场、莲花社区控制断面水位流量关系曲线。根据已经确定的比降和糙率等参数，将历史最高洪水位推求至该断面中，园艺场、莲花社区控制断面历史最高水位分别为894.65、1 007.54 m。园艺场、莲花社区断面水位流量关系曲线，分别如图1—2所示。

图1 园艺场水位流量关系曲线

图2 莲花社区水位流量关系曲线

3.3 水位流量人口关系

由于园艺场、莲花社区住户较分散且离控制断面不远，在将居民住房位置及高程测量成果转化为控制断面的水位人口关系时，简化了河道比降以及居民住房位置与沿河控制断面距离2 个要素，将未在控制断面线上的居民住房高程近似作为控制断面线上的高程。典型小流域中分析评价对象水位流量人口关系，详见表1。

表1 典型小流域中分析评价对象水位流量人口关系

3.4 临界流量

临界流量即洪水到达成灾水位时对应的洪峰流量，是计算预警指标的关键因素。在实测控制断面的基础上，采用曼宁公式计算成灾水位下的洪峰流量即为临界流量。小于5 a 一遇的山洪对2 处村庄（社区）均没有威胁。园艺场、莲花社区临界流量和发生频率，详见表2。

表2 临界流量及对应发生频率成果

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，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，需要合理地确定。在库尔勒市分析评价中，预警时段确定原则和方法如下。

4.1.1 最长时段确定

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（如1 h）增加1～2个时段。

4.1.2 典型时段确定

根据园艺场、莲花社区所在地区暴雨特性、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1 h。

4.1.3 综合确定

根据流域暴雨、下垫面特性和历史山洪情况调查，园艺场所在小流域的汇流时间为2 h，莲花社区所在小流域汇流时间为3 h。库尔勒市处于北方干旱地区，降雨多为短历时强降雨，超渗产流特性突出，结合其下垫面的特性和流域单位线性，综合确定园艺场、莲花社区典型预警时段均为1、2 和3 h 3 个时段。

4.2 雨量指标计算

4.2.1 设计暴雨

降雨是山洪灾害形成的主要因素[5]。库尔勒市在新疆年最大1 h点雨量均值等值线图中有5 mm的等值线穿过，年最大6 h 点雨量均值等值线图中有15 mm 的等值线穿过，年最大24 h 点雨量均值等值线图中有10 mm 的等值线穿过。根据《新疆暴雨图集》获取库尔勒市设计暴雨参数（均值、变差系数、离差系数等），然后计算标准历时（1、6、24 h）的点暴雨量，通过比较得出水文站多年实测的同场10 min 暴雨量与1 h 暴雨量的比例关系，应用暴雨图集中1 h点暴雨量推求出10 min 点暴雨量，进而查算点面折减系数，将标准历时下的点暴雨量转化为面暴雨量，进而进行10 min～1 h、1～6 h和6～24 h的暴雨递减指数计算，然后根据以上暴雨参数计算汇流时间下的降雨时程分配。其中，点面折减系数和暴雨时程分配均采用《新疆暴雨图集》中数据。

设计流域的可能最大1、6 和24 h 点雨量参数Hˉ、Cv从设计流域的几何中心图中查得，年最大10 min点雨量均值根据各水文站10 min 与1 h 点雨量均值之间的比例关系取1 h 降雨量的0.45 倍，然后查P-Ⅲ型频率表插值求出频率为1%、2%、5%、10%和20%对应的洪峰模比系数值，再乘相应的均值得到各频率的设计点雨量，结果详见表3。

表3 典型小流域设计暴雨计算成果

4.2.2 临界雨量

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阈值（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系列作为最初的输入，计算洪峰流量；再次，比较计算所得的洪峰流量与临界流量，若二者接近且差值小于0.1 则该雨量即为该时段的临界雨量，若二者差异较大则需重新设定初始雨量，反复进行试算，直至计算所得的洪峰流量与评价对象的预警流量差值小于预定的允许值为止。

预警分为准备转移预警和立即转移预警，故还需计算准备转移雨量，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。准备转移流量的确定与计算立即转移指标时相应的洪水过程密切相关，既不能简单地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。从最大限度地保护人民群众生命财产安全的角度考虑并使计算性能稳定，这里取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后，准备转移指标计算的步骤和流程与计算立即转移指标的方法类似。园艺场和莲花社区临界雨量计算成果，详见表4。