石河子市巴音沟流域山洪灾害预警研究

（新疆石河子巴音沟河流域管理处，石河子市，832000） 马红刚

1 简述

针对中小河流及小流域范围内的山洪灾害研究是近年来国内洪涝灾害研究的重点和难点。所谓流域是指汇集地表水和地下水的区域，也就是河流分水线所包围的区域，山丘区的小流域根据《全国山洪灾害防治规划》的划定，流域面积小于3 000km2的河流称为中小河流。据统计，一般年份我国中小河流水灾损失约占全国水灾总损失的70%～80%，近10a中小河流洪水灾害和山洪灾害造成的死亡人数占水灾死亡人数的2/3以上。可见中小河流人员伤亡和财产损失严重，实施中小河流洪水预警预报作业是一项迫在眉睫、刻不容缓的工作。

2 研究区域巴音沟河流域概况

巴音沟河流域位于新疆南部天山北坡中段，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冰峰雪岭，北达古尔班通古特沙漠(其地理位置为东经84°45'～85°27'北纬43°29'～44°58'，河流水网发育，成树状水系。发源于乌苏县境内，由卡哈尔阿特，阿冬萨拉，哈尔莫仁，阿勒泰沙拉，依克马斯吐（喇嘛庙水文站观测的俗称大河方向）及东测沙湾县境内的巴依什果勒，乌拉斯台（俗称小河方向）等七条主要支流在二道沟（安集海大峡谷）汇集成一条主流而成，自西南流向东北，全长160Km。见图1。巴音沟河流域集水面积为1 579Km2，,森林覆盖面积51Km2最大年径流量为4.33亿m3，最小年径流量2.22亿m3全年径流量分配，春季（3～5月）0.19亿m3，占全年的6.55%，夏季（6～8月）2.28亿m3，占全年的,72.19%，秋季（9～11月）0.52亿m3，占全年的16.7%，冬季（11～2月）0.14亿m3，占全年的4.57%，其径流以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。由此可见，巴音沟河的径流由降雨融雪混合补给、冰雪融水补给和地下水补给共同构成，其中冰川、积雪消融在巴音沟河径流量中占有重要的地位，同时稳定的冰雪融水补给和地下水补给每年为巴音沟河至少提供了2.1亿的稳定供给，而下游安集海灌区及安下调水及水库蓄水量的多年总平均用水量为1.8亿，巴音沟可以满足下游灌区用水要求。安集海灌区用水单位，主要为新疆沙湾县安集海镇，新疆兵团八师141团，142团，144团部分连队，下野地部分团场。河道沿岸从上往下的重点单位有，巴音沟河渠首站，新疆沙湾安集海镇元新宫队，独山子第四水源地，沙湾水源地地下管线，西气东输地下管线，铁路，高速公路，国道，巴管处安集海水库一库二库，142团，141团，122团。

巴音沟河渠首位于巴音沟河出山口巴音山庄景区内。巴音沟河拦沙库闸为拦河式水闸，4孔5米宽，此处为巴音沟河最窄段，故将此处作为研究对象。

图1 研究区地理位置

3 研究区域水文站气象站分布情况

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；洪水数据使用巴音沟河引水枢纽水文站数据。见图2。

图2 水文站气象站分布图

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。

4 山洪预报技术研究现状

山洪灾害时间预报技术是指通过技术手段预报山洪泥石流的发生时间，在预报的基础上对外界发出山洪预警，提前做出相应的反应减少山洪灾害带来的损失。时间预报技术分为中长期预报和实时预报两种，两种技术相互关联。

目前，国外常用的山洪预警技术主要分为两类，一类为美国国家水文研究中心（HRC）主持研制的基于动态临界雨量的山洪预警指南系统；另一类为以欧盟国家为主，采用高分辨率分布式水文模拟法，根据不同流域的流域性特点，研究分布或半分布式水文模型在不同环境特征小流域山洪预警中的应用情况。山洪灾害预警指标主要为两类，一类为临界雨量，即当降雨量达到或超过某一量级和强度时，流域内爆发山洪灾害的可能性较大；另一类为临界水位/流量，可以理解为该流域的特征水位/流量。

国内的研究探索可以大致分为对预警指标和预警模型两个方向。国内针对预警指标的探索虽然开展的较早，但是深度不够，主要还是集中在以临界雨量作为预警指标的范围内，针对大部分地区临界雨量研究基本采用统计归纳的方法，该方法对前期雨量的考虑十分有限，但是由于其实用性较强、准确度高一直为确定临界雨量阈值的首推方法。水文模型的最终目的也都在于将自然过程进行公式和数值上的转变，模拟从降雨到径流的过程。水文模型一方面需要大量的基础资料来确定和验证参数，其对原始数据的要求一直较高；另一方面一些大型水文模型例如新安江模型更适用于大型地区的水文预报，在小流域地区由于小流域地区面积较小、汇流过程短、基础资料不健全等多种原因，预报精度并不尽如人意。

5 巴音沟流域临界雨量计算

1、区域临界雨量法，以临界雨量作为预警指标，利用已经发生洪水，研究发生洪水时，发生洪水前研究区域内，各自动气象站的降雨量，和累积降雨量，确定“恰好”发生洪水前的各时段累积降雨量，利用统计归纳的方法，统计出临界雨量范围值。由于降雨量不仅代表预报河流控制断面上游的面平均雨量，同时也与下垫面情况、前期雨量等因素密切相关，实际运用中导致多场山洪发生的降雨量在不同条件下必然不尽相同，作者增加了前2d，前3d的累积降雨量数据，希望能包括更多条件下的洪水预报。（见表1）

表1 巴音沟河山洪典型区临界雨量表(mm)

2、水位反推法，以巴音沟河出山口最窄处拦沙库水闸为研究对象。选择2种条件下对应的雨量，第一种条件是，就是巴音沟河没有降雨情况下日常情况最大流量，同时也是水闸日常运行安全的数值范围内，发生事故机会较少。也就是警戒流量，对应的警戒水位。第二种条件是，水闸能过最大流量，同时水闸即将发生水毁的流量，发生事故可能较大的危险流量，对应的危险水位。

（1）确定流量

通过多年运行经验可以确定警戒流量为65m3/s，通过水闸实际情况以及安全鉴定情况可以确定最大流量为200m3/s，既为危险流量。

（2）确定水位

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。黄河水科院2016年10月为巴音沟河渠首除险加固工程进行模型试验为巴音沟河堰流测算m为0.434。将水闸b为20，g为9.8，m为0.434带入式中得出；

通过将流量带入式中，可以得出警戒水位为1.4m，危险水位为3m。

（3）将1958年至2018年的洪水（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（如下图所示）。

得出公式：

将Q和p替换Y和X，得出洪峰频率曲线公式

将警戒流量为65m3/s，危险流量为200m3/s。带入Q得出P警戒=80.P危险=10.

（3）将2014年至2018年的产生洪峰的降雨数据，按照1h,3h,3h,1d,2d,3d累积降雨量利用PⅢ频率曲线分析得到相应时段的设计暴雨参数，点绘两者之间的关系。

Y=-4.38In(X)+24.843 R2=0.992

Y=-8.205In(X)+46.533 R2=0.992

Y=-10.13In(X)+57.478 R2=0.992

Y=-16.08In(X)+91.212 R2=0.992

Y=-17.75In(X)+100.64 R2=0.992

Y=-18.491In(X)+104.87 R2=0.992

将P警戒=80.P危险=10.带入X的得出降雨量

水位反推法 P危险P警戒1h 16 5 3h 31 10 6h 38 12 1d 60 19 2d 60 19 3d 69 22

2、综合两种方法确定综合临界雨量指标表

将区域临界雨量的最大值与最小值同水位反推法的危险值与警戒值平均得出综合临界雨量指标。（见表2）

6 巴音沟河山洪预警方案

本次巴音沟河流域的山洪灾害预警等级分为“准备转移”和“立即转移”两个等级。

临界雨量阈值法：

平均1h 3h 6h 1d 2d 3d范围5.5-9.559-17.899-22.0913.6-36.0618.4-38.6918.4-40.31

巴音沟河流域的预警流程设计集中了临界雨量阈值法和暴雨临界曲线法各自的优点，在过程中并不是对每一时刻都计算3雨量站的统计值，而是利用对过去2d较大降雨统计和未来1d降雨量的预判将预警流程分为，当预判的结果显示过去2d较大降雨未来1d发生山洪的可能性较大时，即使用预警效果较好的临界雨量阈值方法进行预警。

表2 综合临界雨量指标表

当降雨可能性较小时，即使用实用型的1h暴雨临界曲线对现状进行快速的判断。通过对未来1d山洪灾害的预判，可以有针对性的对不同的预判结果进行预警指标计算方法的选择。

一方面充分发挥了多种预警指标计算方法各自的长处，物尽其用；另一方面也为防汛部门节约了人力物力，最终在最大限度上发挥山洪预警防灾减灾的功效，达到科学预警的目的。

7 结语

（1）通过针对山洪灾害对应降雨过程的研究，认为降雨是诱发地方山洪灾害的直接外力因素。6～8月是研究区的汛期，常出现持续时间长、累计雨量大的降雨过程，然而短历时大强度暴雨也时有发生，而研究区内的山洪灾害皆发生在其中的6～8月。侧重前期累计降雨量作为山洪预警雨量指标的先决条件。

（2）巴音沟河流域气候地质的特殊情况，下垫面和前期雨量在巴音沟河作用特别明显，所有研究发生洪水前1d,2d,3d很有意义，作者增加了前1d，2d，3d的数据。

（3）巴音沟河山洪预警中，当过去1d，2d降雨较多，或者已经发生山洪，预报预计未来1d降雨较大时，发生山洪可能性较大。当过去1d，2d没有降雨，未来1d降雨可能性较小时，即使用实用型的1h暴雨临界曲线，根据实际降雨量，进行预警。