新疆天山地区径流洪水规律探讨

2010-08-10刘书宝席伟彦

东北水利水电 2010年6期

刘书宝，席伟彦

（中国水电工程顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

单站的年径流和设计洪水成果的合理性往往无法判断，结合新疆木札提河流域水能资源规划水文分析计算成果，以及收集的新疆天山南坡、北坡水文站实测资料，进行统计分析及综合，对该地区径流洪水规律有了一定的认识；对工程地点径流洪水的推求方法进行了初步探讨。有关成果可作为该地区径流、洪水设计成果合理性分析的依据，工程地点年径流、洪水的计算方法可作为有关设计工作的参考。

1 流域概况

天山南坡包括开都河、库车河、阿克苏河和渭干河等，均发源于天山南坡冰川区，南坡河流均汇入塔里木河；北坡包括伊犁河流域和艾比湖流域。天山南坡流域面积154 000 km2，冰川面积4 922.74 km2，冰川覆盖率3.2%，天山北坡流域面积117 000 km2，冰川面积9 195.6 km2，冰川覆盖率3.7%。

区域地貌类型按大单元划分为山区、丘陵和平原三大类型。垂直带状结构明显，山顶为白雪皑皑的冰川；北天山北侧山腰为草地，山脚为洪积冲积平原，间有沙丘和戈壁滩分布；南天山的高山、中山、低山地带，分布有草地，草原和荒漠。

新疆地处欧亚大陆腹地，远离海洋，高山环列，来自海洋的气流很难进入，气候特征主要表现在降水量小而蒸发量大，气温日较差大，日照时数长，属于温带大陆性气候。降水的分布是北部大于南部，西部多于东部，山区多于平原、盆地，迎风坡多于背风坡。根据破城子水文站资料统计，汛期6～10月降水量占年降水量的65.8%，非汛期占年水量的34.2%。

2 区域径流综合分析

2.1 径流特性分析

天山地区的河流大部分发源于山区，源头有冰川和永久性积雪，冰川和永久性积雪对河川径流具有调节作用，因此径流的年际变化较小而年内变化较大，伊犁河流域年径流变差系数为0.11～0.27，艾比湖流域为0.11～0.31，开都河为0.13～0.29，渭干河的破城子水文站为0.11。天山地区径流的年际变化主要受河源地区冰川面积的影响，冰川面积越大，径流的年际变化越小，破城子水文站以上冰川面积占水文站集水面积的42.6%，因此变差系数较小。

径流的年内分配和其补给来源关系密切，冬季降水少，气温低，降水以固态形式存于流域中，河川径流主要来自地下水，水量最小。山区特别是高山区夏季降水多，气温高，降水径流和冰川融水大量补给河流，故发源于高山区的较大河流，夏季水量大，伊犁河雅马渡水文站夏季水量占全年水量的50.2%，冬季占全年水量的10.8%；开都河大山口站夏季水量占全年水量的45.0%，冬季占全年水量的10.6%；渭干河破城子水文站夏季径流占全年的70.2%，冬季占全年水量的4.2%。

新疆河流的河流分为山区河流和平原河流，山区是河流径流形成区，径流随流域面积的增大而增加，平原是河流径流的散失区，径流随流域面积的增加而减少。河流出山口以后，大量径流引入灌区，有的平原河流沿途有许多引水渠首，所以平原河流常常是河渠交错，既有径流引走也有农田排水汇入，河流水量受人类活动影响很大。

2.2 基本资料的选用

本次选用的基本资料包括伊犁河8个水文站、艾比湖8个水文站、开都河11个水文站、渭干河6个水文站、阿克苏2个水文站等35个水文站的水文资料，水文资料的径流系列到1989年，这些水文站大部分都有30年水文资料系列，所选水文站代表性较好。

2.3 水文站多年平均径流与控制面积综合关系分析

根据本次选用的35个水文站的径流成果点绘多年平均径流量～流域面积的关系图，见图1。

图1 新疆天山南北坡水文站多年平均径流量～流域面积关系线

从图1可见，天山南北地区径流有比较明显的规律，据此可以综合出天山南北地区多年平均径流量与流域面积的关系，天山南北地区多年平均径流量与流域面积的关系公式为：

式中：W为多年平均径流量，亿m3；F为流域面积，km2。

综合分析图1可见，天山南北地区在集水面积小于1 000 km2时，流域产流量有明显的差别，当集水面积大于1 000 km2时，流域产流量差别不大，但北天山地区产流量大于南天山地区。

2.4 工程地点年径流量计算的方法探讨

在天山南北地区有关河流的规划设计阶段，可根据本文总结的天山南北地区产流规律，利用坝址以上集水面积估算坝址径流量，或利用新疆维吾尔自治区水利部门第三次全国水资源评价时所做的新疆径流深等值线图计算坝址的径流量，计算电站的有关动能参数。

在收集到工程所在河流水文站或邻近流域水文站的长系列水文资料后，进行资料系列的 “三性”检查后，计算水文站多年平均径流量，与新疆等值线计算成果进行比较，并计算修正系数。修正系数的计算公式是：

式中：W1—利用水文站实测径流系列计算的径流量，万m3；R—水文站以上平均径流深，mm；F—水文站以上集水面积，km2。

工程地点年径流的计算方法是利用等值线计算坝址以上多年平均径流深，再利用水文站的多年平均径流量修正系数进行修正，即可计算出坝址多年平均径流量。变差系数Cv和偏态系数Cs的取值可以根据水文站的的参数合理取值。

2.5 成果的应用

天山南北地区径流组成比较复杂，单个水文站计算的年径流成果往往难以判断合理性，因此在完成资料的“三性”分析检查，径流参数计算后，需要根据地区的规律，判断成果的合理性。判断的方法是把水文站的计算成果点绘在新疆南北水文站多年平均径流量～流域面积关系图上，评价多年平均径流量的合理性，然后根据本文提供的方法计算有关工程地点的径流成果。这对提高设计成果的可靠性是有益的。

3 区域洪水规律探讨

3.1 洪水特性

天山地区的洪水有融雪型洪水，暴雨洪水、融冰型洪水、冰川湖溃决洪水、冰凌洪水和混合型洪水。不同类型的洪水发生的季节有明显的不同，融雪型洪水主要发生在3～5月份，暴雨洪水、融冰型洪水主要发生在6～8月，冰川湖溃决洪水主要出现在夏末、秋季或初冬，冰凌洪水主要发生在11月底至翌年2月中旬。

融冰雪型洪水与气温关系密切，洪水过程有一日一峰的变化规律；混合型洪水一日一峰，峰高量大，主峰滞后于降雨；暴雨性洪水，峰高量小，陡涨陡落。年最大洪水的峰型多为混合型，河源冰川和永久性积雪消融，降雨也在高峰季节。

受冰川和永久积雪融化的调节作用，洪水最大洪峰的年际变化相对较小，木札提河破城子水文站洪峰流量变差系数为0.35，伊犁河卡甫其海水文站洪峰流量变差系数为0.58，艾比湖山口水文站年径流变差系数为0.69。

3.2 基本资料的选用及水文站设计洪水

本次收集了天山南北地区的阿克苏河、渭干河、伊犁河、艾比湖等河流的13个水文站的设计洪水成果作为代表站探讨天山南北地区洪水规律，这些站的洪水成果经过上级有关部门的审查，设计成果已经用于工程设计，因此设计洪水成果是基本合理的，也是可靠的。

3.3 水文站设计洪水与控制面积综合关系分析

根据天山南北地区水文站设计洪峰流量，以百年一遇洪水为例点绘设计流量与控制面积的综合关系线，见图2，点据分布趋势有较好的规律性，新疆河流在山区是径流形成区，洪水随流域面积的增加而增大，但出山口后平原区，主要是径流的散失区，虽然沿途接纳支流的洪水汇入，但洪水模数在减小，反映在设计洪峰流量～集水面积综合关系线上，在平原面积比指数变小。据此分段定出设计流量～控制面积的综合关系线，关系线约在流域面积F＝12 800 km2处转折。

设计洪峰流量～集水面积的综合关系公式为：

式中：Qmp为频率p的设计流量，m3/s，F为控制的流域面积，km2。

图2 天山南北地区设计洪峰流量～流域面积关系图

3.4 成果的应用

天山地区洪水组成复杂，按照设计洪水规范的要求，首先对洪水进行成因分析，同成因的洪水组成洪水系列进行设计洪水计算，不同成因洪水的设计成果进行组合，这样使得设计洪水计算非常复杂。新疆有关工程在计算水文站设计洪水时采用的资料系列均是混合系列，据此计算设计洪水。新疆地区地广人稀，历史洪水资料匮乏，因此设计洪水成果的可靠性往往难于把握，因此成果的合理性检查是十分必要的。本文提供的地区综合成果可作为天山地区设计洪水成果合理性检查的参考依据。

对于小面积洪水，特别是施工所需要的支沟洪水，一般采用推理公式法、暴雨洪水法等方法计算设计洪水，因此本文总结的成果也可作为小面积洪水计算成果合理性分析判断的参考依据。

由图2可见，在山区洪峰流量的面积比指数是0.76，平原区指数是0.41，因此根据水文站设计洪水推求工程地点的设计洪水时，可参考本文所分析的成果进行计算。