昌吉市三工滩前山区洪水特征及水文资料“三性”分析

李 军

(新疆昌吉水文勘测局,新疆 昌吉 831100)

1 概述

三工滩前山区位于昌吉市三工镇南部山前冲洪积扇上,介于头屯河与三屯河两流域之间的低山区出山口以下的前山丘陵区,东与头屯河相邻,西以三屯河为界。流域最高海拔1 480 m,东西长约15 km,南北宽约10 km,地势南高北低,坡面宽广、坡降大,总的趋势是中间高两边低。坡面多为漫滩,坡面干沟形成的大多是宽浅式河道,植被覆盖度低,主要以蒿类和狐茅草为主。土壤类型主要是冲积—洪积物上发育形成的灰漠土,并有盐碱化现象。下游是三工镇和昌吉市城区,受春末夏初强对流天气形成的局地融雪和暴雨洪水影响,上游坡面洪水极易对下游造成威胁。对三工滩前山区洪水成因及类型进行研究,对区域暴雨洪水预警及保护下游城镇基础设施、群众生命财产安全具有重要意义。

2 研究区水文站概况

研究区由10余条无名干沟组成,均为季节性冲沟,自南向北流经三工滩,除春季产生融雪性洪水和夏季暴雨形成的洪水外,其余大部分时间河沟干涸。这10余条无名干沟均发源于天山北麓的头屯河流域至三屯河流域之间、昌吉市以南低山地带,源头无终年冰川和积雪。三工滩没有设立过水文站点。研究区内最能反映流域气象水文条件的现有水文站为三屯河流域碾盘庄水文站。碾盘庄水文站是国家基本水文站,于1956年7月22日设立,地理坐标为东经86°57′,北纬43°43′,测站高程1 100 m,集水面积1 636 km2。观测项目包括水位、流量、悬移质泥沙、水温、岸温、降水、蒸发、水化学等。为研究三工滩前山区洪水特征,针对水文资料缺乏的问题,选取收集到的三屯河流域碾盘庄水文站的长系列实测水文资料进行整理分析。

3 研究区洪水成因与类型分析

3.1 洪水成因

三工滩地处前山丘陵地区,南有高大的天山阻挡,各河沟分布在海拔800～1 480 m之间的中低山区,呈南北走向。而西方和西北方向东移的小尺度天气系统受地形抬升影响,在三工滩迫使气流产生气旋性切变,有利于气流质量辐合,使系统发展加强产生局地性大暴雨,所以三工滩前山区洪水主要以暴雨洪水和季节性融雪洪水为主,出现时间在春季5月和夏季的6-8月间,受暴雨过程影响,洪水过程多涨落剧烈。另外,由于三工滩所处的天山山脉第三纪泥岩物理风化强裂、地形破碎,地面坡度大、组成物质疏松、植被条件差,且中新生代地层中含有较多盐分,所以三工滩暴雨洪水溶解大量的盐分,使河水含沙量增大、矿化度增高。暴雨山洪会挟带大量泥沙及盐分注入下游河道,对下游河道中的水利工程与两岸乡村、农田以及道路交通安全造成较大危害。

3.2 洪水类型

三工滩洪水一般发生在春季和夏季,春季洪水以积雪消融水为主;夏季洪水主要是暴雨洪水。根据三工滩不同洪水成因,洪水可分为三种类型:季节积雪融水型洪水、暴雨型洪水和以上两种洪水叠加形成的混合型洪水[1]。

3.2.1 季节性积雪融水型洪水

研究区冬季稳定积雪随着春季气温的回升,在一段时间内消融形成融雪洪水。季节积雪融水大小与积雪覆盖的面积和厚度以及气温、风速等气象因素密切相关。

3.2.2 暴雨型洪水

局地暴雨具有历时短、降水量集中、强度大、笼罩面积小的特点。这类暴雨可在局部地区,尤其是像天山北坡前山丘陵地区的中、小河流形成陡涨陡落、峰高量小的局地暴雨洪水。

3.2.3 混合型洪水

混合型洪水是指季节积雪融水与局地暴雨或大尺度降水形成洪水叠加而成。这类洪水历时较长,洪峰高洪量也较大。

4 洪水特征分析

由于该区域没有实测水文资料,通过对三屯河碾盘庄站实测洪水资料进行统计分析,总结区域不同类型洪水特性。

(1)季节性积雪融水洪水主要特征:洪水大小与前期积雪面积及储量有密切关系;出现时间早,洪水过程与升温过程关系密切,并随气温变化具有明显的日变化过程;洪水涨落变化缓慢持续时间较长,洪峰流量小相应洪量也不大;春季随着雪线的上升,融雪洪水每日洪峰出现的时间逐渐推后[2]。随着时间的推移,融雪洪水出现时间随雪线的不断上升而逐渐推后,当中、低山带积雪消融殆尽,区域积雪消融洪水过程结束,河流由地下水补给,水量趋于稳定。图1为碾盘庄站1996年5月19日至6月1日一次融雪洪水过程线图。

图1 碾盘庄站1996年5月融雪洪水过程线

(2)暴雨洪水的主要特征:暴雨洪水大多由局地暴雨或大尺度持续降水过程形成;暴雨洪水大多出现在汛期5-8月;暴雨洪水过程线型多尖瘦,陡涨陡落,突发性强;洪峰流量量级及持续时间由暴雨强度和持续时间决定;由于暴雨对坡面的侵蚀作用,暴雨洪水一般都具有挟沙量大、矿化度高、破坏性大、发生频率较高的特点。图2为碾盘庄站1988年7月15日一次局地性暴雨型洪水过程。

图2 碾盘庄站1988年7月局地暴雨洪水过程线图

(3)混合型洪水的主要特征为:兼有季节性积雪融水及暴雨洪水双重形态特征;暴雨洪水叠加在融雪洪水之上,因此,洪峰流量一般比单纯的融雪洪水与暴雨洪水更大,极具危害性;由于融雪期间地表湿润松散,此时若遭遇强降水,对坡面的侵蚀作用加强,致使含沙量大,同时大量的盐份溶解,河水矿化度高;洪峰量级及持续时间是由累积雪量、升温过程及暴雨强度和持续时间等多种因素决定。图3为碾盘庄站1996年7月大尺度降水过程形成的混合型洪水过程。

图3 碾盘庄站1996年7月混合型洪水过程线图

5 研究区水文资料“三性”分析

本次研究采用邻近三屯河流域碾盘庄站和昌吉气象站长系列资料进行分析。代表性的分析应在可靠性、一致性的基础上进行,所以应首先对资料系列的可靠性和一致性进行分析,在此基础上再对代表性进行分析。

5.1 可靠性分析

碾盘庄站为国家基本站,其洪水资料的测验、整编及刊印均严格按国家行业规范标准执行,精度较高,具有较好的可靠性。昌吉气象站为国家基本站点,资料采集、整编和刊印严格按国家行业规范要求执行,资料质量可靠。

5.2 一致性分析

对于洪水系列而言,区间引水、分水以及测站断面迁移,是影响洪峰流量资料系列一致性的两个主要因素。碾盘庄站以上不存在区间引洪、分洪现象,人类活动影响相对较小。碾盘庄站设立于1956年,但1955-1958年这段资料不完整,且1959-1975年停测。因此在水文计算时,只采用了1976-2016年洪水资料,而该站1976年以后断面上下迁移两次距离较近,区间集水面积变化不大,可认为迁移前后其洪水形成条件未发生明显变化,表明碾盘庄站1976-2016年41年洪水资料系列一致性较好。

昌吉气象站1952年建站,降水资料1953年开始观测至2009年迁站至新站址,直线距离11.7 km,但仍处于绿洲平原区。经过气象部门比测分析,仅对最低气温有一定影响。因此,2009年前后资料合并后的1953-2016年最大一日降水量资料可以认为具有一致性。

5.3 代表性分析

5.3.1 不同长度系列统计参数对比分析

采用碾盘庄站洪峰流量实测资料,自2016年逆时序向前、采用矩法计算其不同长度系列统计参数进行对比分析,见表1。随着系列长度的增加,统计参数变动幅度逐渐减小,当系列长度达到34 a以上时,其均值相对偏差的绝对值小于5%;当系列长度达到31 a以上时,Cv值相对偏差绝对值小于5%。综上所述,系列长度达到34 a时系列统计参数基本趋于稳定。

表1 碾盘庄站不同长度系列统计参数对照表

5.3.2 洪峰流量模比系数差积曲线分析

点绘碾盘庄站最大洪峰流量与最大一日降水量模比系数差积曲线和昌吉气象站最大一日降水量模比系数差积曲线,见图4。

图4 参证站洪峰流量与最大一日降水量模比系数差积曲线图

从图4可以看出,碾盘庄站1976-2016年洪水系列中,1976-1986年处在一个小洪峰流量年群,1987-2016年处在一个大洪峰流量年群中,期间还包括了几段中等洪峰流量年群,且过程较为完整。碾盘庄站最大一日降水量在1976-1986年11年间,处在一个降水量偏少年段;1987-1999年13年间,处在一个降水丰沛年段;2000-2016年,处在一个不完整的降水量偏稀少年段。昌吉气象站降雨量1953-1996年44 a间,处在一个降水量偏少年段;1997-2005年间,处在一个降水丰沛年段,2006-2016年间,处在一个降水量偏少年段。

综合来看,碾盘庄站1976-2016年洪水系列明显包含着大、中、小不同量级洪水信息;碾盘庄站1976-2016年最大一日降水量系列基本包含多水年群和少水年群过程;昌吉气象站降水量64 a降水量系列包含完整的多水年群和少水年群过程。

5.3.3 洪峰流量模比系数累积平均曲线分析

点绘碾盘庄站最大洪峰流量与最大一日降水量模比系数差积曲线和昌吉气象站最大一日降水量模比系数差积曲线,见图5。

图5 参证站洪峰流量与最大一日降水量模比系数累积平均曲线图

从图5碾盘庄站洪峰系列模比系数累积平均值过程线中可见:洪峰流量模比系数累积平均值随着系列长度的增加逐渐收敛于1,当系列长度增加到28 a以上时,模比系数累积平均值相对误差小于5.0%。说明碾盘庄站实测洪峰系列均值已趋于稳定。碾盘庄站最大一日降水量系列长度达到41 a时,年平均降水量模比系数累积平均值趋于1,说明碾盘庄站41 a最大一日降水量系列已趋于稳定。昌吉气象站最大一日降水量系列逆时序长度达到43 a以上时,最大一日降水量模比系数累积平均值5%以内波动并逐渐趋于1,说明昌吉气象站64 a最大一日降水量系列较稳定。

综合以上分析,碾盘庄站41 a最大洪峰流量与最大一日降水量系列具有代表性;昌吉气象站最大一日降水量64 a系列代表性较好。

6 结语

通过对昌吉市三工滩前山区洪水成因类型、洪水特征及参证站基础水文资料的可靠性、一致性和代表性进行分析,得出三工滩前山区无水文资料洪峰、降水系列趋势稳定,对产生的洪水可提前做出预报,对该流域防洪减灾、洪水预测预报、避免造成生命财产和基础设施造成威胁等可提供一定的科学依据。