烏魯木齊河低山丘陵區暴雨遞減指數分析

趙宏濤

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

烏魯木齊河位于東天山支脈天格爾山北坡，其低山丘陵區降水豐富，植被條件較好，常被喻為“烏魯木齊市的后花園”，是旅游、休閑開發的重點區域。隨著建設的開展，山洪防治問題逐漸突顯。

烏魯木齊河低山丘陵區洪溝以暴雨洪水為主，均無水文站觀測，工程設計時一般采用推理公式由暴雨資料推求設計洪水。推算過程中流域幾何特性可依據地形圖量算得到，流域下墊面特性可查表取值，僅暴雨遞減指數參數多年來一直按全區規律統一取值，造成計算成果常與實際情況不相符，急需依據實測暴雨資料分析率定，并總結其對計算成果的影響。

1 暴雨特性及觀測站點

烏魯木齊河地處中緯度地區，屬典型溫帶干旱大陸性氣候，受山體抬升影響低山丘陵區降水相對豐富，形成天格爾暴雨高值區。該區域一般為小尺度天氣系統形成的局地暴雨，主要發生在7月中下旬，場次暴雨多在1日內完成，具有籠罩面積小、降雨歷時短但雨強大等特點。

英雄橋水文站為國家基本水文站，位于烏魯木齊河出山口附近的低山丘陵區，于1956年10月設立，海拔高程約1950 m。該水文站于1958年開始采用20 cm雨量器進行降水觀測，汛期降水量摘錄資料經整理后逐年刊布于水文年鑒內。

筆者依據英雄橋水文站1958～1989共32年連續汛期降水量摘錄資料，分析率定烏魯木齊河低山丘陵區暴雨遞減指數。

2 暴雨遞減指數率定

2.1 樣本選樣

在水文統計學上選樣方法歷來有年最大值法與非年最大值法[1]，本次依據英雄橋水文站暴雨資料，按工程水文中常用的年最大值法進行選樣。考慮烏魯木齊河低山丘陵區暴雨歷時較短，因此選樣的最大時段定為24 h。為準確率定各時段暴雨遞減指數，筆者逐年統計年最大10 m、20 m、30 m、40 m、50 m，1 h、3 h、6 h、9 h、12 h、24 h 的時段降雨量，并據此組成各時段1958～1989共32年年最大降雨量系列。

2.2 設計降雨量計算

依據英雄橋水文站1958～1989年各時段年最大降雨量系列，采用水利行業常用的皮爾遜III型曲線進行適線，依據點群趨勢目估定線，成果如圖1、表1所示。本文重點分析率定防洪工程常用頻率0.5%、1%、2%、3.33%、5%、10%。

圖1 英雄橋水文站各時段降雨量頻率曲線圖

表1 英雄橋水文站各時段雨量頻率適線成果表

2.3 設計雨強計算

單位時段內的平均降水量即為雨強，公式如下：

式中：at,p為歷時為t、頻率為p的設計雨強，mm/h；xt,p為歷時為t、頻率為 p 的設計降雨量，mm；t為降雨歷時，h[2]。

英雄橋水文站各時段設計雨強，可依據英雄橋水文站各時段設計降雨量進行計算，成果如表2所示。

表2 英雄橋水文站各時段設計平均雨強成果表

2.4 暴雨遞減指數率定

暴雨遞減指數又稱為暴雨衰減指數，用來反映暴雨在時空分布上的集中（或分散）程度[3]。采用推理公式進行設計洪水計算時，需通過暴雨遞減指數轉換各時段設計雨強，水利行業一般采用的指數型暴雨公式如下：

式中：Sp為頻率為p的設計雨力，mm/h；n為暴雨遞減指數。

將指數型暴雨公式兩邊取對數，即為lg at,p=lg sp-nlg t，可知理論上lg at,p與lg t呈直線關系，暴雨遞減指數n即為此直線的斜率。

將英雄橋水文站常用頻率設計雨強按歷時點繪在雙對數紙上，按點據分布規律以1 h為界，分兩段率定各頻率暴雨遞減指數，如圖2所示。其中當時段＜1 h時，暴雨遞減指數以n1表示；當時段＞1 h時，暴雨遞減指數以n2表示。分段率定的英雄橋水文站各頻率暴雨遞減指數成果如表3所示。

圖2 英雄橋水文站常用頻率雨強-歷時圖

表3 英雄橋水文站暴雨遞減指數成果表

3 暴雨遞減指數規律分析

由前述分析可知，英雄橋水文站暴雨遞減指數以1 h為轉折點可分為兩段，其中n1較為穩定在0.278～0.280之間，n2變幅相對較大在0.704～0.835之間。總體而言，該區域暴雨遞減指數隨歷時的增加而增大，隨頻率的增大而減小。

4 暴雨遞減指數實際應用分析

以烏魯木齊河某低山丘陵區洪溝（流域面積2.2 km2，溝長1.5 km，比降0.027）10年一遇設計洪水計算為例，驗證本次暴雨遞減指數率定成果的合理性，以及對設計洪水計算的影響。

在采用推理公式計算時，查取值表該洪溝匯流參數M按2類計算，土壤下滲強度μ按3類、“前期土壤中等濕潤”進行計算。英雄橋水文站10%設計24 h降水量為41.2 mm；筆者率定的暴雨遞減指數成果顯示10%頻率下n1取0.278，n2取0.704，據此計算該洪溝設計洪峰流量成果為2.32 m3/s；若參考《新疆維吾爾自治區可能最大暴雨圖集》，按全區統一規律n1取0.7，n2取0.8，在其它參數一致的情況下計算的該洪溝設計洪峰流量為6.37 m3/s，是前者的2.7倍。

該洪溝調查的10年一遇洪峰流量為2.2 m3/s，顯然以筆者率定的暴雨遞減指數計算的成果更符合當地的實際情況。由此可知暴雨遞減指數對推理公式計算成果影響較大，這也正是以往計算成果常出現明顯偏離實際的原因。

5 結論

依據英雄橋水文站實測32年暴雨資料，分析率定烏魯木齊河低山丘陵區常用頻率暴雨遞減指數及其規律。成果顯示暴雨遞減指數總體隨歷時的增加而增大，隨頻率的增大而減小。常用頻率下n1在0.278～0.280之間，與全區規律0.7差異較大；n2在0.704～0.835之間，與全區規律0.8基本相當。應用案例顯示推理公式設計洪水計算結果對暴雨遞減指數較為敏感，以筆者率定的暴雨遞減指數計算的成果較符合當地實際情況，可供周邊暴雨洪水計算使用。