新疆天山北坡中段河流洪水規(guī)律探討

龔建新，文 軍

(1.新疆烏魯木齊水文水資源勘測(cè)局，新疆 烏魯木齊830000;2.新疆水利水電勘察設(shè)計(jì)院地質(zhì)研究所，新疆 烏魯木齊830091)

1 自然地理特征

天山山系綿亙于新疆維吾爾自治區(qū)中部，是亞洲最大的山系之一。整個(gè)山系大致呈東西走向排列，新疆境內(nèi)東西總長(zhǎng)約1 700 km，南北寬度在100～400 km之間，最高的托木爾峰海拔7 435.3 km。天山是新疆一條重要的自然地理分界線，將天山山脊分水嶺定為南北疆的地理界線，發(fā)源于天山的河流，凡南流到塔里木盆地或其南坡山間盆地的流域范圍為天山南坡，其他流域范圍為天山北坡。天山北坡中段西起精河縣，東至木壘縣，沿天山北坡的山區(qū)，包括精河、烏蘇、沙灣、石河子、瑪納斯、呼圖壁、昌吉、烏魯木齊、阜康、吉木薩爾、奇臺(tái)、木壘等縣市的南山，東西綿延600～700 km。

天山北坡的垂直分帶明顯，3 800 m以上為冰雪帶;3 800～3 000 m為墊狀植被;3 000～2 700 m為高山蒿草草原;1 600～2 700 m為云杉林帶;1 200～1 600 m為山地草甸草原;800～1 200 m由孤茅針茅草原逐漸過渡為半灌木荒漠;800 m以下為梭梭荒漠。

天山北坡中段降水分布有以下特點(diǎn):山地降水較豐富，1 000～1 500 m年降水量約300 mm，1 500 m以上超過400 mm，最大降水帶在2 500 m上下，約600 mm左右。山前平原年降水量150～220 mm，沙漠邊緣年降水量100 mm以上。天山北坡中段水熱條件的垂直分布情況，多年平均氣溫5.0℃～-5.0℃之間，極端最低氣溫為 -31.8℃～ -33.8℃，≥10℃年積溫在25.26℃～0℃，無霜期149～10 d。

天山北坡中段集水面積在30 km2以上的河流37條，年徑流量17.0×108m3以上，絕大多數(shù)河流年徑流量均遠(yuǎn)小于1.0×108m3。主要河流依次為精河、古爾圖河、四棵樹河、奎屯河、八音溝河、瑪納斯河、呼圖壁河、頭屯河、烏魯木齊河、三工河、開墾河、木壘河等。現(xiàn)自西向東選取瑪納斯河、烏魯木齊河、木壘河作為典型河流進(jìn)行洪水規(guī)律的分析。

2 河流

瑪納斯河是天山北坡年徑流量最大的河流，它發(fā)源于巴音郭楞蒙古自治州和靜縣境內(nèi)，天山主峰以南小尤爾都斯以北的冰峰地區(qū)，由古仍郭合拉哈特，古仍郭勒，郭德郭勒和夏格孜郭勒四條支流匯流于瑪納斯、沙灣、和靜三縣交界處流入瑪納斯主河道，另一主要支流于和靜縣經(jīng)呼斯臺(tái)郭勒峽谷過沙灣境內(nèi)流入瑪納斯河。肯斯瓦特水文站以上河段為上游，河長(zhǎng)160 km，集水面積4 637 km2，多年平均年徑流量為12.34×108m3，瑪納斯河屬融雪徑流補(bǔ)給型河流。

烏魯木齊河發(fā)源于中天山天格爾Ⅱ峰附近的一號(hào)冰川，源頭海拔4 479 m。西接頭屯河水系，東到烏拉泊和柴窩堡洼地之間的分水嶺，大致由南至北各支流泉溝匯入后流到東道海子，全長(zhǎng)214 km，流域總面積4 684 km2。烏魯木齊河是一條冰雪融水、降雨及地下水混合補(bǔ)給的河流。英雄橋水文站多年平均年徑流量為2.427×108m3，其徑流組成大致為:冰川融水占12%，融雪水占37%，降雨占36%，地下水占15%。由此可見，烏魯木齊河水量主要由冰雪融水和降雨補(bǔ)給為主。

木壘河發(fā)源于天山山脈博格達(dá)山北坡，是木壘縣境內(nèi)最大的一條河流。木壘河上游查漢布特溝先由西向東，沿途按納了兩條無名溝后，折向北與洞洞溝及三條無名溝匯合后流出控制斷面，向北注入躍進(jìn)水庫。躍進(jìn)水庫進(jìn)庫水文站以上集水面積461 km2，多年平均年徑流量為0.454 1×108m3。

表1 天山北坡典型河流水文特征值

3 天氣形勢(shì)與暴雨

天山北坡中段處亞歐大陸腹地，遠(yuǎn)離水汽源地，但在大的天氣系統(tǒng)過境時(shí)，往往是雨區(qū)籠罩面積大，時(shí)間長(zhǎng)，由于山地效應(yīng)，導(dǎo)致暴雨以山區(qū)為中心展開。以典型河流“199607”和“199907”洪水為例進(jìn)行分析。

氣象資料表明［2］，“19960718”大降水之所以持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，影響范圍廣，降雨強(qiáng)度大，導(dǎo)致這次大范圍長(zhǎng)歷時(shí)的大降水天氣過程是因?yàn)?(1)伊朗副高加強(qiáng)北挺東移，引導(dǎo)北方冷空氣南下，西太平洋副高西伸北上，使得中亞低渦長(zhǎng)時(shí)間維持，強(qiáng)度加強(qiáng)。(2)有力的風(fēng)場(chǎng)、渦度場(chǎng)條件造成的上升運(yùn)動(dòng)，以及有利的水汽條件，是以烏魯木齊地區(qū)為中心特大暴雨產(chǎn)生的物理?xiàng)l件。(3)云系的南北結(jié)合、上下疊加、冷暖交綏，是這場(chǎng)大降水過程的云系特征。

1999年進(jìn)入7月份以來，副熱帶高壓開始活躍，伊朗高壓發(fā)展北上至中亞地區(qū)，使得副熱帶低槽加深，而下游西太平洋副熱帶高壓，于7月中旬西伸至青藏高原東部使暖氣團(tuán)進(jìn)入南疆后伸向北疆地區(qū)，大于35℃的高溫在新疆維持了一個(gè)星期左右，而零度等溫線升到了5 500 m左右，到7月底一直居高不下，新疆有些地區(qū)5 500 m高度溫度達(dá)到5℃，大氣中高層的持續(xù)性高溫造成高山積雪大范圍融化，受副熱帶槽不斷分裂的短波影響，使新疆局部地區(qū)主要是天山東段兩側(cè)出現(xiàn)大的降水，大降水中心在巴音布魯克，高空溫度持續(xù)偏高使山區(qū)大量積雪融化和局地暴雨的疊加是形成天山北坡諸河“1999.07”洪水的主要原因。

4 洪水概況

4.1 1996年洪水

從7月18日～7月27日，來自中亞低值系統(tǒng)的強(qiáng)冷濕氣流入侵，暴雨中心所經(jīng)過的天山山區(qū)，出現(xiàn)大范圍的區(qū)域性暴雨洪水。圖1為瑪納斯河1996年7月暴雨型洪水過程線，洪水起漲較快，回落緩慢，洪水過程較長(zhǎng)，為單一洪峰過程，其最大洪峰流量達(dá)735 m3/s。

圖1 瑪納斯河1996年7月暴雨型洪水過程線圖

1996年7月18～20日，烏魯木齊河發(fā)生大洪水，連續(xù)三日三次洪峰，英雄橋水文站實(shí)測(cè)7月19日洪峰流量分別為213 m3/s、352 m3/s、348 m3/s，為建站以來最大洪水，洪水起漲迅速、回落也快。

圖2 烏魯木齊河1996年7月暴雨型洪水過程線圖

木壘河1996年7月25日～7月29日發(fā)生大洪水，圖3為躍進(jìn)水庫進(jìn)庫站1996年7月25日～7月29日暴雨洪水過程線圖，此次暴雨洪水由區(qū)域性降水形成。躍進(jìn)水庫進(jìn)庫站7月26～27日降水量達(dá)100.5 mm，其最大洪峰流量達(dá)140 m3/s。

圖3 躍進(jìn)水庫進(jìn)庫站1996年7月暴雨型洪水過程線圖

4.2 1999年洪水

1999年7月20日瑪河肯斯瓦特站出現(xiàn)了入汛以來第一次大洪峰，洪峰流量1041 m3/s，洪水起漲迅速、回落也快，同年8月2日又出現(xiàn)了有水文資料記載以來排序第一位的特大洪水，洪峰流量為1 100 m3/s，圖4為瑪納斯河1999年7月暴雨型洪水過程線圖。

圖4 瑪納斯河1999年7月暴雨型洪水過程線圖

圖5為1999年7月烏魯木齊河洪水過程，洪水起漲過程較為緩慢，回落較快，洪水歷時(shí)較長(zhǎng)，洪峰流量為83.2 m3/s。

圖5 烏魯木齊河1999年7月暴雨型洪水過程線圖

圖6為躍進(jìn)水庫進(jìn)庫站1999年7月15日9時(shí)至7月18日9時(shí)洪水過程，此次暴雨形成突發(fā)性的陡漲陡落的局地性暴雨洪水，起漲迅速，回落也快，洪峰流量?jī)H為38.6 m3/s。

圖6 躍進(jìn)水庫進(jìn)庫站1999年7月暴雨型洪水過程線圖

5 洪水特性分析

5.1 洪水成因及類型

根據(jù)天山北坡中段河流冰川分布、天氣形勢(shì)與暴雨特征及實(shí)測(cè)洪水資料分析，積雪消融和暴雨是洪水形成的主要原因。洪水一般發(fā)生在春季和夏季，春季洪水一般以冰雪消融型洪水為主，暴雨型洪水發(fā)生的概率較小;夏季洪水主要以暴雨型洪水和冰雪消融與降水形成的混合型洪水為多見。

根據(jù)天山北坡中段河流的洪水成因，可分為三種類型洪水:(1)冰雪消融型洪水;(2)暴雨型洪水;(3)冰雪消融與暴雨混合型洪水。

5.1.1 冰雪消融型洪水

冰雪消融型洪水是流域內(nèi)冰川、季節(jié)性積雪在氣溫迅速和持續(xù)回升的作用下，導(dǎo)致大范圍消融而形成的洪水，這類洪水與氣溫關(guān)系十分密切。冰雪消融洪水主要特征是歷時(shí)較長(zhǎng)，過程平緩，洪峰不大，洪量不小，具有明顯的日變化，形成一日一峰一谷的多峰過程。

5.1.2 暴雨型洪水

無論是局地性暴雨還是區(qū)域性暴雨，均能夠產(chǎn)生大洪水。暴雨洪水的主要特征是陡漲陡落，歷時(shí)短，峰高量小，過程單一，突發(fā)性強(qiáng)，來勢(shì)迅猛，破壞性極大，往往造成較大的洪水災(zāi)害。

5.1.3 冰雪消融與暴雨混合型洪水

冰雪消融與暴雨混合型洪水是冰雪消融與暴雨洪水疊加而形成的洪水。此類洪水在烏魯木齊河流域較為常見，通常發(fā)生在每年的6～8月份之間。混合型洪水因組合不同而兼有積雪消融洪水和暴雨洪水的特征，其主要特征是歷時(shí)長(zhǎng)，峰高量大，在有規(guī)律的日變化過程上疊加了降雨洪峰，對(duì)水利工程、防洪對(duì)象最具威脅。

5.2 變差系數(shù)分析

變差系數(shù)Cv值反映了洪峰流量總體的相對(duì)離散程度，變差系數(shù)的大小與降水量、降水強(qiáng)度、洪峰流量系列和集水面積的大小緊密相關(guān)，洪峰流量變差系數(shù)愈大，洪峰流量多年之間變幅也就越大，反之亦然。從系列終點(diǎn)即2009年向前依次計(jì)算洪峰流量系列的平均值和Cv，變差系數(shù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的計(jì)算公式為:

式中:Xi為洪峰流量系列為洪峰流量系列均值;Cv為變差系數(shù);n為系列長(zhǎng)度。

表2 天山北坡典型河流參數(shù)Cv對(duì)照表

分析表2知，短系列Cv值與長(zhǎng)系列Cv值相對(duì)偏差較小，且與長(zhǎng)系列相比相對(duì)偏差變幅逐漸減小，隨著統(tǒng)計(jì)年數(shù)的增加，Cv值逐漸趨于穩(wěn)定，短系列Cv值相對(duì)長(zhǎng)系列的相對(duì)偏差在統(tǒng)計(jì)年數(shù)達(dá)16年以上時(shí)基本穩(wěn)定在5%變幅內(nèi)。隨著河流集水面積的減小，變差系數(shù)值逐漸增加。

5.3 洪水過程線對(duì)比分析

針對(duì)瑪納斯河、烏魯木齊河、木壘河1996年、1999年暴雨洪水過程線進(jìn)行分析，其洪水過程線特征是起漲迅速、回落也快;或起漲迅速、回落慢;或起漲較慢、回落快。洪水過程最大1日洪量占最大3日洪量38.30%～65.61%，平均49.05% 。

表3 天山北坡典型河流洪水過程特征

5.4 洪水變化情況

20世紀(jì)80年代中期以來，新疆氣侯持續(xù)增暖，降水增加，出現(xiàn)了較為明品的暖濕跡象，對(duì)氣候變化響應(yīng)敏感的新疆大多數(shù)地區(qū)，呈現(xiàn)出河川徑流量增加、大洪水頻發(fā)的現(xiàn)象。統(tǒng)計(jì)3條代表性河流不同年代最大洪峰流量均值，結(jié)果顯示:20世紀(jì)60-80年代洪峰流量均值雖有波動(dòng)，但變化不大;進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后大多數(shù)河流10 a滑動(dòng)平均值都遠(yuǎn)比60-80年代大，瑪納斯河肯斯瓦特站60-80年代平均值分別為 363.0 m3/s、297.4 m3/s、330.6 m3/s、而 90 年代 10 a平均值467.5 m3/s;烏魯木齊河英雄橋站60-80年代分別為 87.6 m3/s、82.2 m3/s、66.9 m3/s、而 90 年代 10 a 平均值123.3 m3/s;木壘河躍進(jìn)水庫進(jìn)庫站60-80年代分別為34.9 m3/s、32.0 m3/s、56.9 m3/s、而 21 世紀(jì) 00 年代 10 a平均值50.9 m3/s(表4)。

表4 代表河流各年代最大洪峰流量均值

圖7 天山北坡典型河流參數(shù)Cv對(duì)照?qǐng)D

6 結(jié)語

通過對(duì)典型河流的洪水分析，1)洪水成因及類型相同，2)大范圍的天氣過程造成沿天山北坡一帶由西向東依次發(fā)生大洪水，3)自西向東變差系數(shù)逐漸增大，4)洪水過程線基本相似，5)近10 a來新疆河流洪水頻繁發(fā)生，且呈現(xiàn)出峰高量大，其原因:一是夏季南北氣溫升高;二是夏季降水量增多，使1987年后發(fā)生超定量、超標(biāo)準(zhǔn)頻次的洪水明顯增加。因此，天山北坡中段河流從洪水成因及類型、變差系數(shù)、洪水過程線具有相似性，其成果對(duì)工程水文分析計(jì)算和洪水預(yù)報(bào)等具有重要意義。

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