新疆葉爾羌河蘇蓋提吐乎防洪工程洪水特征分析

麥麥提明·依比布拉

(新疆維吾爾自治區塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700)

1 概 述

洪水是河道流域范圍內常見的自然災害，會給流域影響范圍內的居民帶來嚴重的經濟損失和生命威脅[1-2]。在河道治理工程中，準確分析河道洪水特征是十分必要的[3-4]。葉爾羌河位于新疆西南部，處于塔里木盆地的西南緣，東西南北分別與塔克拉瑪干沙漠、喀什噶爾流域、喀喇昆侖山、天山接觸。葉爾羌河流域總面積為8.73×104km2，其中國內面積8.44×104km2，全長1 165 km，是塔里木河的三大源流之一[5-6]。作為新疆區域內一條大型河流，其一旦發生洪水災害將帶來嚴重的損失。因此，準確分析其洪水特征是十分重要的，可為河流防洪治理提供參考。

蘇蓋提吐乎防洪工程位于新疆喀什地區莎車縣亞格艾熱克鄉葉爾羌河勿甫渠首上游葉爾羌河西岸。防洪工程所處地段河道縱坡1/200，砂卵石河床，兩岸絕大部分為耕地。工程河段分布有流域性骨干工程2處(西岸總干渠、勿甫渠首)。本河段由于河道坡度大、流速大，對兩岸沖刷嚴重，河道主流時而發生變化，為游蕩性河床。

2 洪水類型

根據研究，葉爾羌河的洪水主要可分為4種類型：冰雪消融型、冰川潰壩型、暴雨型以及混合型洪水。

葉爾羌河流域冰川、季節性積雪十分發育，這是冰雪消融型洪水最為主要的物質條件。每逢氣溫上升，積雪、冰川消融對河水進行補給，若溫度上升較為劇烈，則冰雪將大量融化，從而形成冰雪消融型洪水，這種類型的洪水在葉爾羌河流域極為常見。

在葉爾羌河上游，發育有較多的冰川，攔截河水形成堰塞湖。在特定的條件下，攔截河水的冰川在瞬間發生破壞，大量高水頭的河水奔流而下，形成冰川潰壩型洪水。

暴雨型洪水由其名字可知，在持續降雨條件下，葉爾羌河流域出現超滲產流情況，形成暴雨型洪水。

混合型洪水是指流域內出現以上2種或3種類型的洪水。多種類型的洪水在行洪斷面出現洪水過程的疊加，從而形成復雜洪水。根據資料收集，葉爾羌河流域的混合型洪水主要包括兩類：暴雨+冰川消融洪水、冰川消融+潰壩洪水。潰壩型洪水在氣溫持續上升時間極易發生，且消融型洪水在氣溫上升段也極易出現。因此，兩種類型的洪水同時發生的頻率較高，洪水一旦爆發將造成不可估量的損失。

3 洪水特征分析

3.1 消融型洪水特征

1973年7月，在葉爾羌河流域發生了冰川消融型洪水，喀群站記錄了此次洪水過程，洪水過程線見圖1。

圖1 1973年7月喀群站消融型洪水過程線

從圖1可知，此次洪水歷時較長約400 h，洪水上漲過程較為緩慢，洪水峰型為復式，漲水自1973年7月14日開始至7月29日退去，最大洪峰流量為2 220 m3/s。其中，漲洪歷時為洪水總歷時的51.3%，在達到最大峰值之前共出現8次洪峰極大值。

通過多年來洪水資料的收集，喀群站實測最大最小洪峰值之比僅為3.44，洪水峰值系列Cv=0.40。該類型洪水在每年6-9月份較為集中，其中7月份發生峰值超過2 000 m3/s的洪水最多。消融型洪水對溫度較為敏感，洪水過程與日溫度變化關系密切。

3.2 潰壩型洪水特征

1984年，在葉爾羌河流域發生了冰川潰壩型洪水，喀群站記錄了此次洪水過程，洪水過程線見圖2。

圖2 1984年喀群站潰壩型洪水

從圖2可知，此次洪水歷時約20 h，洪水上漲過程極快，洪水發生前葉爾羌河流量為900 m3/s，洪水發生后至洪峰流量4 700 m3/s總用時為18 min，洪水上漲速率為204 m3/s·min，洪水來勢洶涌，摧毀力極強。

根據資料分析，該類型洪水洪峰單一，單次洪水總量不大。根據統計，每年潰壩型洪水總量約占葉爾羌河年徑流量的0.2%～2%。與消融型洪水相比，潰壩型洪水最為顯著的特點是峰值大、水量少、歷時短。與冰川消融型洪水多發生于溫度較高的時間不同，冰川潰壩型洪水在冬季也時有發生，冰川潰壩后往往攜帶大量的泥沙，對河道、岸坡形成嚴重的沖刷。

3.3 暴雨型洪水特征

1987年7月，葉爾羌河發生暴雨型洪水，此次洪水過程線見圖3。

圖3 1987年7月喀群站暴雨型洪水過程線

從圖3可知，此次洪水總歷時為6 h 12 min，該洪水的主要形成原因是庫魯克欄干站下游中低山區域的小范圍降水所致，漲水過程總長1 h 20 min。此次洪水的最顯著特點是洪水過程單一，歷時短暫，洪水流量陡增陡減。

根據多年洪水統計，1987年7月發生的洪水洪峰為1 960 m3/s，洪水總水量為0.476×108m3，是歷年暴雨洪水的最大洪峰流量。同時，暴雨型洪水在每年的7月中旬至8月上旬較為集中，洪水爆發后將迅速坦化。

3.4 混合型洪水特征

根據定義可知，混合型洪水是兩種或者兩種以上洪水類型的疊加。從理論上而言，該類型洪水的特征由參與疊加的洪水類型的特征決定，不同洪水的發生時間、規模等不同的因素。因此，不同的混合型洪水特征不同，較為復雜。

喀群站自有觀測記錄以來，潰壩型+消融型洪水組合的混合型洪水發生頻率較低，僅在1971年8月發生過一次，喀群站檢測的洪水峰值流量為4 570 m3/s。大規模的潰壩型+消融型混合洪水發生頻率低，但小規模的潰壩+消融洪水時有發生，但是由于洪峰較大，在向下游運移的過程中，迅速坦化，在到達喀群站時已經混為一體，難以分辨。1971年8月混合洪水過程線見圖4。

圖4 1971年8月喀群站混合型洪水過程線

從圖4中可知，1984年發生了潰壩型洪水，洪水峰值為4 700 m3/s，洪水總歷時為18 min，洪水自喀群站至依干其渡口站，洪峰衰減了44.4%，而1971年8月的潰壩+消融混合型洪水至依干其渡口，衰減36.8%。這表明混合型洪水與單一的潰壩型洪水相比，沿程衰減較弱。同時，1971年8月洪水自漲水至峰值歷時10 h，洪水總歷時約20 h，洪水影響時間明顯長于潰壩型洪水。根據分析，不考慮1971年8月洪水的基流340 m3/s，此次潰壩洪水峰值約3 120 m3/s，與消融型洪水混合后，洪水峰值增大約50%，達到4 570 m3/s。

4 洪峰系列三性分析

4.1 可靠性分析

本次計算采用的喀群站為國家基本水文站點，資料采集、整編和刊印均嚴格按國家行業規范要求執行，資料質量可靠，能夠滿足本次洪水水文分析計算精度要求。

4.2 一致性分析

4.2.1 喀群水文站一致性分析

喀群水文站自設立以來沒有發生過遷移，其出山口以上河段無水利設施，流域氣候條件和下墊面因素基本穩定，因此資料系列具有一致性。

4.2.2 依干其渡口水文站一致性分析

喀群洪水及葉爾羌河水利樞紐引水概況見表1。各渠首引水流量的平均值為269 m3/s，僅占同期喀群站洪峰流量的12.9%。隨洪峰流量的增大，各渠首引水流量反而減少，如1999年8月11日洪水，各渠首合計引水流量為213 m3/s，僅占喀群站洪峰流量6 070 m3/s的3.5%，引水流量僅占喀群至依干其渡口站洪峰沿程坦化量的8.1%。點繪喀群站與依干其渡口站歷年洪峰流量相關圖(圖5)，自上世紀90年代以來，兩者關系未出現系統性偏差，這說明喀群至依干其渡口站區間，自上世紀70年代以來徑流運行條件是基本一致的，區間各渠首引水流量對洪峰流量影響可忽略不計。

表1 喀群歷年最大洪峰流量與各樞紐同時間引水情況統計

圖5 喀群站與依干其渡口站洪峰流量相關圖

4.3 代表性分析

本次只針對實測年最大流量樣本作代表性分析。

4.3.1 模比系數差積曲線分析

喀群站含潰壩型洪水的年最大洪峰流量及消融型洪水洪峰流量系列模比系數差積曲線見圖6。由圖6可知，潰壩型洪水年際變化較為劇烈，1984-1996年為小洪水年群，其他年份洪水周期約為5～6年。

圖6 喀群站洪峰流量模比系列差積曲線圖

4.3.2 模比系數累積平均過程線分析

由圖7可見，當系列長度在10年以上，自2012年向前推對含潰壩型洪水的年最大洪峰流量模比系數累積曲線在1上下波動，波幅小于5%。當系列長度在33年以上時，模比系數累積曲線穩定趨近于1，波幅小于2%，具有較好的代表性。

圖7 喀群站洪峰流量模比系數累積平均過程線

4.3.3 長短系列統計參數對比分析

從表2中可以看出，隨著洪水資料系列長度的增加，Cv值與均值漸趨穩定，當系列長達35年以上，均值相對誤差為1.2%～3.6%之間，Cv值相對誤差為0.0%～-5.8%之間，系列已具有較好的代表性。相應的依干其渡口站有41年(1972-2012年)實測洪峰系列，也具有較好的代表性。

表2 喀群站不同長度洪峰系列統計參數對照表

綜合上述分析，喀群站和依干其渡口站洪峰流量系列較長，且具有一定的代表性，將之作為參證站設計洪水依據，以及用之反映葉爾羌河洪峰流量年際變化的一般規律，是較可靠的。

5 結 論

1) 葉爾羌河流域洪水主要包括4種類型，即暴雨型、消融型、潰壩型、混合型洪水。不同類型的洪水差異性較大，其中消融型洪水具有顯著的復式洪峰特征，洪水歷時較長；暴雨型洪水歷時短、洪水過程單一；潰壩型洪水歷時最短、沿程衰減率高；混合型洪水是多種類型洪水的疊加，危害程度較高。

2) 通過對洪峰的可靠性、一致性、代表性分析，喀群站的洪水特征可作為此次蘇蓋提吐乎防洪工程建設的參考，可為防洪工程洪水設計提供參考。