新疆伊寧縣暴雨洪水發生的時空特征及致災因素研究

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(新疆土壤與植物生態過程實驗室/新疆農業大學 草業與環境科學學院，烏魯木齊 830052)

洪水災害被列為當今世界主要自然災害之一，也是我國最嚴重的自然災害之一，占自然災害引起的死亡的55%，占自然災害造成的經濟損失的31%[1-2]。按其成因和災害特點可大致分為6類，即春季融雪洪水、暴雨洪水、夏季融冰雪洪水、冰川湖潰壩型洪水、冰凌洪水、混合型洪水[3]。其中，以暴雨洪水造成的危害較為嚴重、波及的范圍較廣，對人類生產造成極大威脅。我國大部分河流的洪水多是由暴雨引起的[4]。

新疆位于我國西北內陸干旱區，境內的高大山體可截獲較多水汽，易在山區形成降水；中低山帶多暴雨，極易形成突發性洪水[5]。據統計，新疆洪水的面積占土壤水力侵蝕面積的0.56%，約70%以上洪水由暴雨形成[6]。從20世紀50年代到90年代，新疆暴雨洪水災害頻次由平均每年6.1次增加至14.4次，增加了2倍多[7-8]。洪災損失由20世紀50年代的4.65億元增加至90年代的13.63億元。1996年洪災損失占到當年新疆國民經濟總產值的7%。伊犁河谷是新疆洪水災害最為嚴重的區域之一，其中察布查爾縣平均每年由洪水造成的直接經濟損失，約占該縣地區生產總值的0.5%[9-10]。暴雨洪水在4-9月份均可能發生，主要發生在6-8月份[11]。按新疆暴雨出現時間的季節統計，最早出現在4月份，最遲出現在11月份。春夏秋季暴雨洪水各占全年的18%、53%和10%，其中以夏季暴雨洪水占比重最大[12]。大降水/暴雨是新疆洪災重要致災因子，其影響范圍最廣、危害最重、發生最頻繁，對人類生活影響最大[13]。洪災多發生在山前沖積洪積平原，伊犁地區因其地形原因,是新疆受洪災次數最多、范圍較大的地區，洪水出現頻率大于50%[14]。伊寧縣洪水頻繁發生，尤其是臨近北部山丘前的沖洪積平原區，這給該縣的生產活動及居民的人身財產安全造成嚴重影響，阻滯其經濟發展。因此，研究伊寧縣的暴雨洪水發生特點，將會為制定防洪措施提供基礎數據和決策支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

伊寧縣(E81°13′-E82°42′，N43°35′-N44°29′)是伊犁哈薩克自治州設置最久、屯墾最早且人口最多的縣，總人口達40.1萬人[15]。位于新疆維吾爾自治區西部，天山西段，伊犁河谷中部，縣境北起庫色木契克河，南至伊犁河，地勢北高南低，由東北向西南傾斜，東西長116 km，南北寬95 km，海拔565～3 602 m，總面積6 152.55 km2。屬溫帶大陸性半干旱氣候，年均降水量362.8 mm，日最大降水量45.5 mm，無霜期163 d，多年平均日照時數達2 900 h[16]。全縣可利用水資源總量47.25×108m3，地表水為43.65×108m3，占可利用水資源的92.38%，其中包括博爾博松河、庫魯斯臺溝、曲魯海河等北山水系中10條河溝，全部水系年均徑流量達4.95×108m3[17]。見圖1。

1.2 數據源與統計分析

洪水數據來自水利部門防汛抗旱簡報(http://www.xjslt.gov.cn/)和新疆伊寧縣人民政府網站(http://www.xjyn.gov.cn/)。若報道多個縣同時發生洪災，則用直接經濟總損失與縣個數的比值來獲取伊寧縣的經濟損失。歸納整理2012-2017年4-9月共計13次的洪災數據，有1次的洪災統計未報道洪災造成的直接經濟損失、2次洪災統計中沒有針對受災面積數據、2次的洪災統計中未說明具體的發生鄉鎮。

降雨數據來自新疆天氣網(http://www.xjtq.info/)，選取伊寧縣2012-2017年4-9月的逐年日降雨數據。結合新疆的氣候特點，定義日降水量>24.0 mm為暴雨，日降水量>12.0 mm為大雨，日降水量>10.0 mm為一次大降水日[18-20]。本文采用Excel2016、spss17.0進行數理統計與繪圖，運用ArcMap10.2進行伊寧縣坡度分析。

圖1 研究區地理位置

2 結果與分析

2.1 洪水發生的時空分布

伊寧縣降水時空分布不均，冬夏季多于春秋季；山區降水較多，平原及丘陵一帶較少；迎風坡多，背風坡少，差異明顯，降水變率大，并且夏季降水主要在4-9月份，集中于5-8月份,氣溫較高，極易出現洪水災害[18]。洪水受災面積主要指洪水對種植作物如玉米、小麥、油葵的耕地所造成的破壞。2012-2017年的6年間發生洪水共計13次，毀壞良田78.23 km2。伊寧縣暴雨洪水受災面積月變化見圖2。汛期內不同月份洪水受災面積變化較大，僅6月份造成的洪水面積就達73.31 km2，占整個汛期的93.7%，約為其它月份的70多倍，說明6月份發生的洪水最為嚴重。

圖2 月份尺度暴雨洪水受災面積變化

從年份尺度看，伊寧縣暴雨洪水受災面積的整體趨勢是從2012開始降低，至2014年為最低無洪水發生；同時又以2014年為起點不斷上升，于2016年達到局部高峰之后又處于下降趨勢(圖3)。2015和2016年洪水受災面積分別達到27.47和42.47 km2，在2012-2017中分別占35.1%和54.3%，表明近幾年中2015和2016年是洪水爆發的高峰年。而在洪水發生的年份中，2013年洪水受災面積僅為2016年的1/50。

圖3 年份尺度暴雨洪水受災面積變化

從空間分布看，伊寧縣發生洪水的區域主要位于其南部山前沖積洪積平原區(圖4)。該地主要為鄉鎮所在，人員密集，是洪水發生的主要受災區。而引發洪水的區域剛好位于伊寧縣中部，由西北至東南方向，分布著8條南北走向的河流，中山河流有3條，博爾博松河、吉爾格朗河和匹里青河；低山河流有5條，有布力開河、庫魯斯臺河、曲魯海河、克孜勒布拉克溝、喀贊其河。由圖4還可看出，這些河流所在區域地表土層較薄、植被稀少、草地嚴重退化。統計近5年暴雨洪水數據，青年農場、阿烏利亞鄉發生6次，曲魯海鄉、莫洛托乎提于孜鄉、溫亞爾鄉各發生5次，平均每年一次。青年農場、曲魯海鄉、阿烏利亞鄉3個地塊是洪災頻發區并且地理位置較接近，上部主要是曲魯海河和庫魯斯臺河。喀拉亞尕奇鄉上部的匹里青河設有國投水庫可對水量適當調控，其它河流下部平原區洪水發生的次數較少。因此，需優先考慮在曲魯海河以及庫魯斯臺河流入鄉鎮上端設置防洪措施來降低洪水災害。

圖4 伊寧縣洪水發生空間分布

2.2 洪水發生的因素

洪水是特大地表徑流不能被江河、湖庫容納，水位上漲而泛濫的現象。而暴雨洪水是在4-9月份由較大強度的降雨而形成的洪水，引起江河水量迅速增加并伴隨水位急劇上升的現象，又簡稱雨洪。它是最常見、威脅最大的洪水，給人類正常生活、生產活動帶來損失與禍患。洪水災害的形成受降水、下墊面等自然因素的影響。

2.2.1 降水與暴雨洪水

降水是產生洪水的自然因素，并與暴雨洪水密切相關，短歷時暴雨會產生陡漲陡落洪水過程，峰高量小[21]。洪災發生頻次與強降雨量存在極顯著相關[22]。新疆氣候的暖濕化效應伴隨著較高頻率的洪澇災害，尤其是大洪水的發生，導致20世紀90年代以來新疆河流洪水頻繁發生。90年代以來災害性洪水尤其是災害性暴雨洪水和突發性洪水呈現增加的態勢[23-24]。雷杰[16]研究表明，伊寧縣4-9月份為農作物的生長季節，其降水量達179.2 mm，占全年降水量的50%。統計新疆伊寧縣2012-2017年的降雨量，2015、2016年4-9月份降雨總量較多分別達到294.8、200.5 mm，僅6月份就達73.9、82.7 mm。同時2015、2016年暴雨洪水發生次數較多占統計次數的69.23%。

由圖5、圖6可知，降雨量與降雨次數、洪水面積與降雨量呈對數關系，表明降雨次數使得降雨總量增加，而降雨總量較多發生洪水的幾率也隨之增大。

圖5 2012-2017年降雨次數與降雨量之間的相關性

圖6 2012-2017年降雨量與洪水面積之間的相關性

2.2.2 降雨等級與暴雨洪水

依據新疆降水量級標準[25]，將降雨量按24 h標準依次劃分為中雨(6～12 mm)、大雨(12～24 mm)、暴雨(>24 mm)。表1為近幾年各等級降雨量所發的次數。由表1可看到，每年汛期降小雨的頻次很接近，但洪水的發生與暴雨關系更為緊密。由圖7可知，大于24 mm的暴雨發生頻次則與洪水發生極顯著相關(P<0.01)。2012、2015、2016這3年汛期都有暴雨發生并且洪水發生超過一次。與2014年相比，雖然2013和2017年都沒有暴雨發生，但2013年的大雨次數是2014年2倍，2017年的中雨發生的次數也近乎是2014年2倍。由此可以推斷出，在新疆各等級降雨量與洪水發生的關系是暴雨>大雨>中雨>微小雨。而當某等級降雨持續性發生并在其它等級降雨中占優勢時洪水發生的可能性也會增加。

表1 洪水發生與前期降雨頻次

圖7 暴雨發生次數與洪水發生次數之間的相關性

2.2.3 地形與暴雨洪水

地形與降水關系十分密切，新疆境內的大降水及暴雨主要在山區周圍發生，常常形成極具威脅的山溝洪水，易造成局部洪水災害[18]。在伊寧縣30 m DEM數據的基礎上，以坡耕地坡度分級標準[26]為依據，將坡度分為5個等級：Ⅰ級坡度≤2°；Ⅱ級2°～6°；Ⅲ級6°～15°；Ⅳ級15°～25°；Ⅴ級>25°。由圖8可以看出，山地的坡度大于25°集中于流域上游的河道兩岸，而位于下游的山前平原區坡度低于6°。依據徑流產生原理，洪水過程受下墊面的影響可分成產流和匯流兩個部分，徑流分布主要與產流影響因素有關，而地形主要決定匯流的發生。如陡峻光禿的地形易于快速匯集徑流形成洪水，平坦的地形若不易于洪水的排泄則易于形成澇災[27]。在伊犁河流域利用人工模擬降雨得出坡度是土壤剝蝕的主要因素之一，10°～15°土壤侵蝕較為嚴重，為洪水形成提供先決條件[28]。據統計，地面坡度2°～15°在伊寧縣比重較大，占65.06%，其中僅6°～15°占伊寧縣總面積37.14%。經調查，坡度6°～15°是低山河流的分布區，是洪水極易形成的區域，也是汛期防洪的重點，所占面積最大約為平地(0°～2°)的6.5倍。河流沿地形流經坡度低于6°的平緩區，為居民用水提供便利也常常是洪水源頭，需要各部門積極做好疏水排水準備，否則洪水一旦發生將會嚴重影響人們的生產活動，給人們的生活帶來損失。

圖8 地面坡度分級示意圖

3 結 論

1) 洪水發生具有周期性，6月份是降雨較多的季節，也是洪水發生的高頻時段。

2) 伊寧縣的河流較多，分布密集，中低山區河流(以曲魯海河和庫魯斯臺河為主)下游距農田及居民區很近，是造成洪水經濟損失較大的主要因素，也是汛期洪水防治的主要區域。

3) 降雨與洪水發生具有同期性，洪水發生前后伴有持續性降雨的發生。統計5年洪水事件，降雨等級尤其是暴雨與洪水發生顯著相關，二者的相關系數達到0.97。

4) 洪水多發生在伊寧縣中低山區前坡度低于6°的平原區，高于6°的區域尤其是河流周邊給暴雨洪水提供匯水孕災環境。