新疆巴音溝河山洪案例分析

馬紅剛 羅宏偉 張金寶

(新疆兵團第八師水利工程管理服務中心，新疆 石河子 832000)

根據世界氣象組織資料，在自然災害中，按死亡人數的比例計，山洪是最致命的災害。山洪歷時短，洪峰流量相對較高，發生頻繁，一般規模較小。但是群發和多發的山洪災害會嚴重影響地區發展。2018年7月31日6時至9時30分，新疆哈密市伊州區沁城鄉小堡區域短時間內集中突降特大暴雨，1h最大降雨量達到110mm，落雨區射月溝水庫遭遇超標洪水潰壩。即便是發達國家和地區，面對一些局地強降雨，仍然會存在漏報現象。所以分析本地區山洪案例規律，采用相適應的預警方案十分必要。

1 研究區概況及數據來源

巴音溝河流域遠離海洋，地處歐亞大陸腹地。位于新疆天山北坡中段，新疆首府烏魯木齊以西200km，沙灣縣境內，準噶爾盆地南緣，西臨奎屯河，東抵金溝河，南抵依連哈比爾尕山脈的哈爾阿特河33號冰川，與南坡喀什河發源于同一冰川，北至安集海一庫。其地理位置介于東經84°45′～85°27′、北緯43°29′～44°58′之間。河流全程121km，出山口以上長90km，見圖1。

圖1 巴音溝河流域地理位置

1.1 水文地質

巴音溝河發源于天山北坡高山帶，既有高山冰川和永久性積雪補給，又有中、低山區季節性積雪和夏季降水補給。巴音溝河儲冰92億m3，折合水量74億m3，年平均融水1.50億～2.00億m3，徑流量中冰川融水約占25%～35%，降雨融雪混合補給約占45%～55%，地下水約占15%～25%。海拔3800m以上的冰川和永久性積雪為河流提供了充足的水源。所以巴音溝河既有新疆冰川融雪河流的一般規律，也有多泥沙河流的一些特性。

1.2 徑流

選取巴音溝河渠首樞紐水文站年徑流量數據代表巴音溝河流域年徑流量。經統計分析，巴音溝河流域1956—2019年年平均徑流量為3.08億m3，其中春、夏、秋和冬平均徑流量分別為0.20億m3、2.23億m3、0.51億m3和0.14億m3，見圖2。最大年徑流為4.32億m3，出現在2007年；最小年徑流量為2.20億m3，出現在1992年，平均年徑流量為3.08億m3。

圖2 巴音溝河流域年內各月徑流變化特征

1.3 降雨

由巴音溝河渠首樞紐水文站數據統計(1988—2010年)可知：巴音溝河渠首樞紐水文站多年年平均降水量為240.6mm，春季、夏季、秋季和冬季多年平均降水量分別為70.03mm、95.91mm、48.85mm和25.80mm，見圖3。

圖3 巴音溝河流域年內各月降雨變化特征

自動雨量站數據實時降雨數據選用新疆氣象局數據(2015—2019年)，自動雨量站共三處，從上游往下分別為：巴音溝牧場自動雨量站，海拔1675m，位于巴音溝河干流的烏蘇市巴音溝河牧場內；鹿角灣自動雨量站，海拔2186m，位于巴音溝河支流附近的沙灣縣鹿角灣景區內；巴音山莊自動雨量站，海拔844m，位于巴音溝河渠首樞紐水文站的巴音山莊景區內，見圖4。

圖4 巴音溝河流域自動雨量站地理位置

1.4 泥沙

巴音溝河連續21年輸沙模數平均值達到1060t/km2，是天山北坡徑流懸移質泥沙輸出模數的高值中心。年均輸沙量167萬t,巴音溝河平均含沙量5.67kg/m3，遠高于北疆其他河流。巴音溝河多年平均推移質占懸移質總量的14.6%。巴音溝河渠首以上20km，為兩河匯流口與干流成90°的深“V”形垂直河岸獨特地質景觀——安集海大峽谷，見圖5。右側河流為巴音溝牧場方向干流，巴音溝牧場位于上游17km處。中間河流為鹿角灣方向小河，鹿角灣位于上游18km處，左側河流為上游兩河匯流后的河流。

圖5 巴音溝河流域匯流口安集海大峽谷

1.5 洪水

選取巴音溝河渠首樞紐水文站徑流量代表巴音溝河流域洪峰。經統計分析可知，巴音溝河流域近60年(1956—2019年)最大洪峰為339m3/s，出現在2003年；第二大洪峰為325m3/s，出現在1967年，見圖6。

圖6 巴音溝河逐年最大洪峰年際變化特征

1.6 洪水類型

冰川融雪型洪水多出現在6月中旬至8月下旬，由高山冰川和積雪融化形成，洪水過程與升溫過程關系密切，并隨氣溫變化具有明顯的一日一峰現象，整個洪水過程在汛期6—8月持續重復發生。主要影響因素為氣溫。

降雨型洪水多出現在5月下旬至8月下旬；洪水過程單一，洪峰過程陡漲陡落，總歷時較融雪型洪水為短，暴雨洪水峰型尖瘦，陡漲陡落，突發性強。

降雨及冰川融雪混合型洪水多出現在7月中旬至8月上旬。洪水過程兼顧以上2種洪水特征。為連讀多日循環過程，一日出現多個峰。產生洪峰前，上游發生了降雨。漲水快，落水緩慢。

2 典型山洪案例

2.1 2016年山洪案例

2016年6月29日0時洪峰86.17m3/s。山洪發生前，上游4h降雨超過10mm,其中山洪發生前2h，1h降雨超過8mm,是誘發此次山洪主要原因，洪水特征滿足降雨型山洪特征。其中實時雨量提前2h預警,見圖7。

圖7 2016年6月29日雨洪圖

2016年7月7日15時洪峰106.96m3/s。洪水急漲緩落特征明顯，其中山洪發生前2h，鹿角灣1h降雨超過10mm,山洪發生前10～14h持續降雨6mm,是誘發此次山洪主要原因，洪水特征滿足混合型山洪特征。其中山洪災害氣象提前23h預警，實時雨量提前2h預警，見圖8。

圖8 2016年7月7日雨洪圖

2.2 2017年山洪案例

2017年6月22日22時洪峰104.69m3/s。山洪發生前3h，1h降雨超過38mm,是誘發此次山洪主要原因，洪水特征滿足降水型山洪特征。其中實時雨量提前3h預警，見圖9。

圖9 2017年6月22日雨洪圖

2017年6月24日22時30分，洪峰144m3/s。巴音溝牧場1h降雨超過17mm,是誘發此次山洪主要原因，洪水特征滿足降水型山洪特征。其中實時雨量提前6h預警。此次洪水與上次洪水相隔1天，降雨量小洪峰大，見圖10。

圖10 2017年6月24日雨洪圖

2017年7月15日1時洪峰108m3/s。洪水急漲緩落特征明顯，其中山洪發生前4h，巴音溝牧場1h降雨超過12mm,3h降雨超過23mm，山洪發生前4h，鹿角灣持續1h降雨5.8mm，是誘發此次山洪主要原因，洪水特征滿足混合型山洪特征。其中山洪災害氣象提前23h預警，實時雨量提前7h預警，見圖11。

圖11 2017年7月15日雨洪圖

2.3 2018年山洪案例

2018年8月13日17時洪峰92m3/s。洪水特征滿足降水型山洪特征。洪水發生前，上游兩處雨量站無明顯降雨過程。其中山洪災害氣象提前23h預警，見圖12。

圖12 2018年8月13日雨洪圖

2018年8月22日2時洪峰59m3/s。洪水急漲緩落特征明顯，其中山洪發生前4h，巴音溝牧場1h降雨超過6mm，是誘發此次山洪主要原因，洪水特征滿足混合型山洪特征。其中山洪災害氣象提前8h預警，實時雨量提前4h預警，見圖13。

圖13 2018年8月22日雨洪圖

2.4 2019年山洪案例

2019年6月23日2時洪峰50m3/s。洪水急漲急落特征明顯，其中山洪發生前5h，巴音溝牧場2h降雨超過19mm以及鹿角灣1h降雨超過18mm，是誘發此次山洪主要原因，洪水特征滿足降雨型山洪特征。其中山洪災害氣象提前8h預警，實時雨量提前5h預警，見圖14。

圖14 2019年6月23日雨洪圖

2019年7月5日21時洪峰70m3/s。洪水急漲急落特征明顯，其中山洪發生前5h，巴音溝牧場1h降雨超過14.9mm，是誘發此次山洪主要原因，洪水特征滿足降雨型山洪特征。其中山洪災害氣象提前27h預警，實時雨量提前5h預警，見圖15。

圖15 2019年7月5日雨洪圖

2019年7月10日20時30分洪峰57m3/s。洪水急漲急落特征明顯，山洪發生前5h鹿角灣降雨5mm，是誘發此次山洪主要原因。洪水特征滿足降雨型山洪特征。其中山洪災害氣象提前3.5h預警，見圖16。

圖16 2019年7月10日雨洪圖

2019年8月1日22時洪峰49m3/s。洪水急漲急落特征明顯，其中山洪發生前5h，巴音溝牧場2h降雨8mm，是誘發此次山洪主要原因，洪水特征滿足降雨型山洪特征。其中山洪災害氣象未預警，實時雨量提前5h預警，見圖17。

圖17 2019年8月1日雨洪圖

2019年8月5日22時洪峰49m3/s。洪水急漲急落特征明顯，其中山洪發生前5h，鹿角灣1h降雨超過6.2mm，是誘發此次山洪主要原因，洪水特征滿足降雨型山洪特征。其中山洪災害氣象未預警，實時雨量提前5h預警，見圖18。

圖18 2019年8月5日雨洪圖

3 山洪分析

3.1 降雨實時監測

數據來源于新疆氣象臺。利用上游易發生洪水區域的自動雨量站監測1h、3h、6h等的實時降雨數據對比以往洪水數據或該河段推算的臨界雨量指標，進行是否發生洪水判斷，然后根據洪水發生位置，推算洪水到達保護位置的時間，然后進行山洪預警。

3.1.1 流速計算

由于上游洞子渠渠首洪水到達巴音溝河渠首歷時為50min，河道長度為7250m，流速為2.42m/s。由于安集海大峽谷洪水到達巴音溝河渠首歷時為150min，河道長度為21890m，流速為2.43m/s。河道內洪水的流速采用2.43m/s。鹿角灣到安集海大峽谷河段河道縱坡較大，采用2倍普通河道流速4.86m/s。

3.1.2 流程計算

巴音溝牧場到達巴音溝河渠首河道長度為38370m，洪水到達時間為4h23min。由于自動雨量站數據更新時間為1h。根據實際經驗，巴音溝牧場洪水預警時間為4～6h。

鹿角灣到安集海大峽谷河道長度為17550m，洪水到達時間為4h23min。洪水到達安集海大峽谷時間為58min，到達巴音溝河渠首時間為3h28min。根據實際經驗，鹿角灣洪水預警時間為2～4h。超過山洪預警上限時間山洪未到達，可以解除山洪防御狀態。同時根據山洪到達時間可以判斷山洪發生在巴音溝牧場還是鹿角灣。

3.1.3 實時降雨監測山洪預警效果

實時降雨監測山洪預警效果見表1。

表1 2016—2019年山洪預警成功率統計

3.2 山洪災害氣象預警

數據來源于山洪災害防治網。2016年汛期，研究區新疆天山北麓中段山洪災害氣象預警9次，分別為：6月22日，7月5日，7月6日，7月8日，7月14日，7月22日，7月28日，7月31日，8月27日。2017年汛期2次，分別為：8月11日，8月17日。2018年汛期5次，分別為：6月15日，6月16日，6月20日，7月30日，8月21日；2019年汛期4次，分別為：7月4日，7月10日，8月9日，8月17日，見表2。

表2 2016—2019年山洪災害氣象預警成功率統計

4 結 語

本文利用山洪實時觀測和基于山洪災害氣象預警手段，以新疆天山北坡中小河流巴音溝河2016—2019年汛期實測山洪為案例，分析對比山洪實時預警、山洪災害氣象預警與實測洪水的預警情況之間的關系，得出以下結論：

a.新疆天山北坡絕大多部分山洪是由海拔2400m以下局地短時間強降雨形成的。降雨實時監測可以預測大部分的山洪,并且發現通過監測研究區40km處發生的降雨可以為下游提供2～6h的山洪預警和響應時間，應作為山洪預警的主要手段。山洪災害氣象預警可對高山區降雨形成的山洪進行預警，應作為輔助山洪實時監測的手段。

b.同時發生降雨實時監測預警和山洪災害氣象預警時，山洪發生概率加大。已經發生過山洪，再次低強度降雨，山洪發生概率加大。自動雨量站1～3h累計降雨超過10mm,或者多站1h降雨同時超過6mm,山洪發生概率加大。

c.由于自動雨量站的數據是1h更新一次，所以降雨實時監測無法具體到某一降雨的具體時間，預警存在誤差。建議數據0.5h更新一次，同時建議在海拔2400～3800m增設自動雨量站，減少監測盲區。

d.實時雨量數據和山洪災害氣象預警信息都可以在公開平臺上免費查詢，可以為干旱區冰川山區無預警中小河流和中小水庫提供一種新的山洪預警解決方案，避免或減輕山洪災害損失。

e.現階段研究只解決了山洪何時發生和山洪何時到達的問題，并沒有解決區域降雨量形成山洪洪量和洪峰的問題，期待對此進行進一步研究。