新疆头屯河流域洪水特征分析

Analysis of Flood Characteristics in the Toutun River Basin of Xinjiang

摘要: 本文采用滑动平均法、Mann-Kendall趋势和突变检验法对流域59a实测洪峰序列资料进行统计分析，采用独立样本法和统一样本法对流域设计洪峰流量进行计算。结果表明头屯河流域洪峰流量序列数据总体呈现缓慢增加趋势，趋势变化不显著。年内洪水变化规律分析成果表明，头屯河流域洪水主汛期在7月至8月上旬，破坏性较大的洪水类型多为暴雨型洪水。论证后本文推荐的头屯河流域百年一遇、五十年一遇和三十年一遇的设计洪峰流量为268 m³/s、225.7 m³/s和195.3 m³/s。

Abstract: This article uses the moving average method, Mann-Kendall trend and mutation test method to statistically analyze the measured flood peak sequence data of watershed 59a. The independent sample method and unified sample method are used to calculate the design flood peak flow of the watershed. The results indicate that the flood peak flow sequence data in the Toutun River Basin generally shows a slow increasing trend, and the trend change is not significant. The analysis results of flood change law in the year show that the main flood season of Toutun River basin is from July to early August, and the flood with greater destructiveness is mostly rainstorm flood. The recommended design flood peak flow rates for the Toutun River Basin after argumentation are 268 m³/s, 225.7 m³/s, and 195.3 m³/s.

1. 引言

受全球变暖影响，近年来我国极端天气呈多发频发态势，造成洪水事件频发，对防洪减灾工作提出了更高要求。本文采用水文统计学的方法对新疆头屯河流域洪水成因、类型和年际年内变化规律进行分析研究，以对流域防洪工程建设及下游城市防洪减灾工作提供科学依据。

2. 流域概况

头屯河是乌鲁木齐市与昌吉市的界河，河流全长190 km，流域总面积为2885 km²，其地理位置介于东经86˚42'~87˚37'，北纬43˚10'~44˚44'之间。头屯河流域地形、地貌复杂多样，地势南高北低，由西南向东北倾斜。自南向北依次为高山区、中低山区、山前倾斜平原区、冲洪积平原区和沙漠区。流域南部最高处天格尔峰海拔4562 m，北部最低处海拔400 m左右，南北高差达4000 m以上，流域内的气候、土壤、植被及水文要素垂直地带变化十分显著。

3. 洪水资料情况

3.1. 实测系列资料情况

新疆水文局曾先后在头屯河上设立过制材厂站、哈地坡站、头屯河水库进库站，延续至今任然在持续观测的水文站只有制材厂水文站一处。

制材厂水文站属于国家基本水文站，位于头屯河上游，设立于1957年，为气候站，观测项目为降水、蒸发。1959年改为水文站，观测项目为水位、流量、泥沙、降水、蒸发等，1973年起开始观测流量，一直至今。该测站洪峰流量资料系列不连续，鉴于制材厂水文站流量观测情况，本次研究对制材厂水文站59a年实测洪峰序列资料和流域调查的历史洪水资料进行统计分析，缺测年份洪峰流量资料不插补。

3.2. 历史洪水资料情况

1953年6月制材厂站调查洪水痕迹是调查人由希尧等三人据蒋某(70多岁)的回忆在现场寻找的。东南沟、伐木场无居民无法访问，在制材厂访问了几位老人，他们记得1953年6月发过一次大水，其中有位姓蒋的老人，他家祖孙三代都住在这里，当时已七十多岁，他没有见过比1953年更大的洪水，洪水把他们三代住过的房子也冲毁了，下游也有部分灾害，发水前一天下过一次很大的雨，蒋家的房了因河槽改道被淹。当时采用水面比降法调查的洪峰流量为226 m³/s。至2023年洪水重现期为72年一遇。

4. 洪水类型分析

头屯河流域地处天山北坡中段，河流流经高、中、低山带，河流补给以雨水和冰雪融水为主。流域洪水主要形成于高、中山区，根据制材厂站实测洪水资料分析，该流域洪水类型大致可分为暴雨型洪水，冰雪(川)融水型洪水和雨水与冰雪(川)融水的混合型洪水三种。

4.1. 暴雨型洪水

头屯河暴雨型洪水有两种类型。一种是由局地环流形成的强对流性天气所造成的暴雨洪水。这种暴雨多出现在夏季午后、傍晚或夜间，雨区范围小、历时短、强度大，常发生在低山丘陵区。这类洪水汇流迅速，通常雨停即到，来势凶猛、陡涨陡落，洪水过程线呈三角形尖峰形状，其特点是峰高、量小，持续时间短。另一类暴雨洪水，是在夏季西风环流大型天气系统过境时，锋区活跃，低槽或低涡系统深厚，移动速度缓慢，且东部有阻塞高压存在，并有低空东风气流输送水汽，造成山区大范围降水，历时长达几日，形成较大的暴雨洪水，洪量较大。

头屯河流域暴雨多出现在夏季6~7月，形成的暴雨型洪水突发性强，来势凶猛，陡涨陡落，洪峰流量量级及持续时间由暴雨强度和持续时间决定。由于暴雨对坡地侵蚀作用，暴雨洪水挟沙量大。

4.2. 冰雪(川)融水型洪水

按时间分，头屯河流域一年当中融雪型洪水多发生在春夏两季。春季一般在三至五月份，由低山带及山前坡面积雪随着春季气温迅速回升，积雪大量融化而形成的洪水。其洪水出现时间、量级、持续时间取决于积雪面积和厚度、热量条件、冻土、气象等综合因素。夏季融雪型洪水多发生在六、七月份。夏季高山区气温持续回升，冰雪消融补给河流，每次大的升温过程，伴着冰雪消融可能会形成融雪型洪水的发生。

此类洪水主要特征是洪水大小与前期积雪覆盖面积及冰川储量有很密切的关系，洪水与升温过程关系密切，随气温具有明显的日变化过程，洪水涨落变化缓慢，历时较长，洪峰较小，洪量一般较大，峰顶平缓，洪水过程形态肥胖。

4.3. 雨水与冰雪(川)融水的混合型洪水

混合型洪水过程兼有季节性融雪型洪水及暴雨洪水双重形态特征。由于混合型洪水过程之中的暴雨洪水过程是基于冰雪融水洪水过程之上的，因此，洪峰高度一般比单纯的暴雨洪水相对要高。混合型洪水由于对坡地的侵蚀作用强，含沙量大，对周边环境更具危害性，洪峰流量量级及持续时间是由气温及暴雨强度和持续时间等多种混合因素决定的。

5. 流域洪峰流量特征分析

5.1. 洪峰流量序列年际变化规律分析

本次研究采用滑动平均法和Mann-Kendall趋势检验法对头屯河流域制材厂水文站洪峰流量序列的趋势进行分析研究。其滑动平均曲线见图1。

图1. 制材厂水文站洪峰流量序列(5a)滑动平均曲线图

由图1可知制材厂水文站洪峰序列资料滑动平均曲线趋势线斜率为正值，结果较小仅为0.2739，表明制材厂水文站洪峰流量序列在近59a中总体平稳。采用Mann-Kendall趋势检验方法对制材厂水文站59a洪峰流量序列进行检验(结果见表1和图2)。其结果与滑动平均方法得到的趋势检验结果一致，综上所述制材厂水文站洪峰序列在近59a内总体变化趋势不显著。

表1. Mann-Kendall趋势检验结果

成果		备注
trend	no trend	无趋势
h	FALSE	趋势不明显
p	0.35
z	0.94	z < 1.96上升趋势，趋势不显著

图2. 头屯河流域洪峰流量序列M-K检验

制材厂水文站洪峰时间序列资料是一定时期内某一地区自然地理、气候、人类活动等综合作用的产物。随着时间推移，这些观测值可能呈现出总体稳定趋势，但也可能在某些时刻或者阶段出现突变。水文序列的稳定趋势通常是基于长时间尺度观测和分析得出的，这并不意味着在整个序列中每个数据点都是平稳变化的，依然可能出现一定的突变现象。图2中Mann-Kendall突变检验成果表明，头屯河流域制材厂水文站洪峰流量序列突变开始年份为1960、1961、1994、2008和2010年。由于制材厂水文站上游集水区只有零星牧民居住，不存在城市化建设和水利工程建设现象，下垫面条件未发生大的变化，由此判断，头屯河流域洪峰序列突变原因为气候变化。

图2表明头屯河流域洪峰流量序列除了1986年之外，其余UF值均随着年份推移在1.96和−1.96置信区间内变动，表明该时段径流序列的变化趋势不明显。1986年UF值为−2.11小于−1.96，表明1986年头屯河流域洪峰流量序列的趋势变化较为明显。阶段趋势分析成果表明1959~1973年头屯河制材厂水文站洪峰流量数据呈不显著上升趋势，1974~1976年洪峰流量数据呈不显著下降趋势，1977~1979年洪峰流量数据呈不显著上升趋势，1980~1993年(1986年除外)洪峰流量数据呈不显著的下降趋势，1994~2023年洪峰流量数据呈不显著的上升趋势。

综合趋势和突变分析成果表明，1994年是头屯河流域制材厂水文站洪峰流量序列的一个突变点，变化趋势由1994年之前的时间尺度相对较长的下降趋势转变为上升趋势。从1994年开始头屯河流域的洪峰流量较之前有所增加(1994年之前头屯河流域洪峰流量序列多年平均值为68.8 m³/s，1994年之后头屯河流域洪峰流量序列多年平均值为85.5 m³/s)，序列年际变化幅度逐渐增大(1994年之前序列相对误差绝对值最大值为39%，1994年之后的序列相对误差绝对值最大值为179%)，发生大洪水的频次逐渐增多(≥100 m³/s的年最大洪峰流量在1994年之前出现1次，1994年之后出现了9次，其中1996年该流域发生235 m³/s的洪峰，为历年最大值)。综上所述，1994年以来头屯河流域受气候变化和人类活动影响[1]-[3]，洪水产生不同程度的变异，洪水发生的频率和量级均有所增加，近30a来头屯河流域洪水特征的变化使流域防洪减灾形式较之前更为严峻。

5.2. 洪峰流量序列年内变化规律分析

将制材厂水文站逐年每月最大流量及发生的时间统计出来，绘制制材厂水文站历年逐月最大流量散布图见图3。由图3可知头屯河流域逐月最大流量散点的大小基本呈现出1月至4月中旬基本持平，4月下旬至9月中旬呈现由弱到强，再从强到弱的规律性，9月中旬以后又呈现持平状态。由此可以判断头屯河流域4月下旬进入汛期，9月上旬汛期截至。非汛期在每年的1月至4月中旬和9月中旬至12月底结束。

头屯河流域洪峰在7月至8月上旬出现次数最多，且洪峰流量最大，可见头屯河流域主汛期在7月至8月上旬。洪水成因分析成果表明，每年非汛期头屯河流域洪水类型主要为冰雪(川)融水型洪水，汛期洪水类型主要为暴雨型洪水和混合型洪水(其中混合型洪水主要成因依然为暴雨)，分析结果表明头屯河流域破坏性较大的洪水主要发生在汛期，特别是主汛期，其主要成因依然是局地暴雨或者大尺度强降雨天气过程所致。

图3. 头屯河制材厂水文站历年逐月最大流量散布图

6. 设计洪水计算

通过Mann-Kendall检验结果确认制材厂水文站洪峰时间序列出现了突变点，但突变不显著，未能改变洪峰时间序列总体稳定趋势。图1滑动平均曲线趋势线斜率为正值，表明头屯河制材厂水文站洪峰时间序列总体趋势略微增加，考虑到在1994年之后大洪水出现的频次较之前高，为验证基于制材厂水文站历史洪峰数据计算的设计洪水是否相对偏低，本次分析借用了1994年之后制材厂水文站洪峰序列平均值，对制材厂水文站洪峰序列重新适线，发现两种方法结果基本一致，分析原因为制材厂水文站排名第一位洪水和其他实测排名靠前的洪水基本发生在1994年之后，在排名第一位洪水和排名第二位洪水设计频率和洪峰流量值不变的情况下，改变均值对曲线上部线型影响不大，即使将1994年之前排名靠后的洪水还原增大，只会对曲线下部有影响，不会对频率较小的大洪水有影响，综上所述本次计算对发生突变洪水系列不做还原计算。

加入历史洪水的头屯河流域洪峰系列为不连续的洪峰系列，本次采用统一样本法和独立样本法计算头屯河流域制材厂水文站设计洪峰流量。

6.1. 独立样本法

独立样本法是把包括历史洪水的长系列(N年)和实测的短系列(n年)看作是从总体中随机抽取的两个独立样本，各项洪峰值可在各自所在系列中连序排位，则特大洪水(包括系列中的特大值)的经验频率为：

$P_M=\frac{M}{N+1}\times 100\%M=1,2,\cdots ,a$ (1)

一般洪水(n项中除去l项特大值)的经验频率为：

$P_m=\frac{m}{n+1}\times 100\%m=l+1,l+2,\cdots ,n$ (2)

式中，m为一般洪水在n中的排序；M为特大洪水在N中的排序。

按照独立样本法计算制材厂水文站洪峰频率，在频率格纸上点绘经验频率点子，然后进行配线。适线结果见图4。

图4. 制材厂水文站洪峰流量频率曲线图(独立样本法)

6.2. 统一样本法

统一样本法是将实测一般洪水系列与特大值系列共同组成一个不连序系列作为代表总体的一个统一的样本，其中空缺项为一般洪水，其分布情况假设与实测的一般洪水相似，依此将空缺的部分填补起来，从而形成一个N年的连序系列。则特大洪水仍用公式(1)计算。实测系列($n-1$ )项一般洪水的经验频率计算公式为：

$P_m=P_a+\left(1-P_a\right)\frac{m-l}{n-l+1}$ (3)

式中，$P_a=a/\left(N+1\right)$ 是N年中末位特大洪水的经验频率；$\left(1-P_a\right)$ 是N年中一般洪水(包括空位)的总频率，$\left(m-l\right)/\left(n-l+1\right)$ 是实测期一般洪水在n年(去掉了l项)内排位的频率。

按照统一样本法计算制材厂水文站洪峰频率，在频率格纸上点绘经验频率点子，然后进行配线。适线结果见图5。

图5. 制材厂水文站洪峰流量频率曲线图(统一样本法)

统一样本法和独立样本法计算的洪峰流量计算成果见表2。

表2. 头屯河制材厂水文站设计洪水成果表

频率		1%	2%	3.33%	5%	10%
洪峰流量(m^3/s)	统一样本法	268.0	225.7	195.3	171.8	133.3
	独立样本法	272.9	229.0	197.5	173.1	133.4

对比图4和图5两个频率曲线图，结合表2成果，发现同等量级的洪水独立样本法计算的频率相对较大，说明同等频率下独立样本法计算的设计洪水结果较大。其规律表现为两种计算方法计算结果误差不大，总体趋势表现为随着频率增加，两种方法设计洪峰流量误差逐步减少。这也符合皮尔逊III型曲线一般规律，即曲线上部频率对洪峰流量值影响较大，下部影响较小。

本次计算中制材厂水文站排名第一的特大值洪水是实测系列中的洪水，重现期为72年，采用独立样本法计算时，排名第2的特大值洪水频率为2/72。排名第一的实测系列一般洪水重现期为59年，频率为2/59，大于排名第2的特大洪水频率2/72。故本次计算采用独立样本法未出现两个洪峰一个频率的重叠现象，如果排名第一的特大值洪水不是实测系列洪水，排名第一的一般洪水频率将小于排名第二的特大值处理的洪水频率，且排名第一的特大值处理的洪水重现期不变，就会出现两个洪峰一个频率的重叠现象，这种现象与实际不符。因此，在实践中对洪峰流量系列进行频率计算时多采用统一样本法进行计算。

7. 结论

本文采用滑动平均法、Mann-Kendall趋势检验法和绘制制材厂水文站历年逐月最大流量散布图的方法对头屯河流域洪水年际年内变化规律进行了分析研究。另外采用独立样本法和统一样本法对头屯河流域设计洪水进行统计计算，并对两种方法的成果规律及优缺点进行总结分析。最后归纳出头屯河流域洪水一般特征如下：

1) 趋势分析结果表明，新疆头屯河流域制材厂水文站59a实测洪峰序列数据总体趋势呈现缓慢上升趋势，趋势变化不显著。

2) Mann-Kendall趋势检验成果表明头屯河流域洪峰序列数据自1994~2023年呈现不显著上升趋势，洪峰流量序列滑动平均成果表明自1994年以来头屯河流域洪水发生的频率和量级均有所增加，头屯河流域洪水特征的近期的变化使流域防洪减灾形式较之前更为严峻。

3) 头屯河流域主汛期在7月至8月上旬。洪水成因分析结果表明，每年非汛期头屯河流域洪水类型主要为冰雪(川)融水型洪水，汛期洪水主要为暴雨型洪水和混合型洪水(其中混合型洪水主要成因依然为暴雨)，分析结果表明头屯河流域破坏性较大的洪水主要发生在汛期，特别是主汛期。一般情况下特大洪水的发生是由气象、下垫面条件等多种因素综合作用的结果[4]，在下垫面条件不变的情况下头屯河流域特大洪水发生的主要成因依然是局地暴雨或者是大尺度强降雨天气过程所致。

4) 头屯河流域洪水序列为不连续洪水序列，采用独立样本法计算的结果大于统一样本法计算结果，符合历史洪水大部分出现在实测序列之内，独立样本法计算结果大于统一样本法计算结果的一般规律。考虑到采用独立样本法可能出现一个频率两个洪峰的重叠现象，因此，本次设计洪峰流量频率计算结果采用统一样本法计算结果，即百年一遇、五十年一遇和三十年一遇的设计洪峰流量为268 m³/s、225.7 m³/s和195.3 m³/s。

基金项目

新疆水利科技专项资金项目资助，任务书编号：XSKJ-2023-09。

NOTES

作者简介：郭龙华(1990-11)，河南省扶沟县人，大学本科，工程师，主要从事水文水资源分析研究工作，Email: [e-mail]