哈萨克斯坦水体中危险的水文现象

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【摘要】：最后，文中讨论了哈萨克斯坦河流中因冻结、冰层阻塞、冰坝形成，导致河流水位上升，所引发的水安全问题。这是因为哈萨克斯坦深居内陆，大洋暖湿气流罕至，主要的灾害是河流洪水。哈萨克斯坦荒漠和半荒漠广布，因降水引发的河流洪水是少见的。在哈萨克斯坦主要的洪水源是春季的融雪。根据近10年的统计，在哈萨克斯坦共发生了300起各种原因的洪水，其中70%的洪水与春季洪水有关（表1）。

哈萨克斯坦水体中危险的水文现象

Р.И·加尔别林^[1]

（哈萨克斯坦国立大学干旱地质系）

【摘　要】常见水文灾害主要有:洪水、泥石流、河岸崩塌、干旱、河水泛滥等。在哈萨克斯坦，洪水大多与春季的融雪有关。作者简介了世界及哈萨克斯坦洪水灾害所造成的后果，分析了洪水类型、成因和特征。在哈萨克斯坦，由于洪水是在丰水年和缺水年的多种条件下形成，应用概率分布的统计规律预测河流水位和流量的最大值受到了限制，由此，作者提出了采用截断式（或称分段式）配线法，确定河流最大流量和水位的方案，并论述了应用该法存在的问题。最后，文中讨论了哈萨克斯坦河流中因冻结、冰层阻塞、冰坝形成，导致河流水位上升，所引发的水安全问题。

【关键词】自然灾害，洪水，流量最大值，河流水位，冰坝

Dangerous Hydrological Phenomena of Rivers in Kazakhstan

R.E.Gal Perin（ГальперинР.И.）

（Department of Drought and Geology，National University of Kazakhstan）

【Abstract】Common hydrological hazards include flood，debris flow，bank failure and drought etc.In Kazakhstan floods are concerned with snow melt in Spring generauy.At first the author present badiy consequence led by flood hazards in Kazakhstan and the whole world briefly，analyzed types，factors and characteristics of floods.In kazakhstan，owing to floods accuring under the different conditions in the wet years and in the dry years，so using statistical regularity of probability distribution to predict themaximum of water level and flow was under restrictions，and then in view of these，author put forward a proposal that the method of sectional line collocation can be applied to forecast themaximum of water level and flow，and at the mean time existing problems of using thismethod were expounded.At last water safety problems caused by river water level rising were discussed，which were often accompanied by ice blocking and ice dam in Spring flood season in many Kazakhstan’s rivers.

【Key words】natural disaster，floods harzard，themaximum flow，river water level，ice dam

自然灾害表现在气候、水文、地貌等方面。造成水体灾害的原因是由于不利的自然因素，当然也要考虑人为因素。

水文灾害主要有:洪水，泥石流，河岸崩塌，干旱，河水泛滥等。

幸运的是，哈萨克斯坦所遭受的灾害属于地球上灾害的最低级别。据统计，我们国家有100万居民遭受自然灾害，受灾人数比受灾最严重的国家遇难人数多十几倍。这是因为哈萨克斯坦深居内陆，大洋暖湿气流罕至，主要的灾害是河流洪水。哈萨克斯坦荒漠和半荒漠广布，因降水引发的河流洪水是少见的。根据一些资料，92%灾难性洪水发生在1998～2002年，主要是因为降雨，也与冰雪消融、流冰阻塞、风潮、水文设施被破坏等原因有关。在哈萨克斯坦主要的洪水源是春季的融雪。

根据近10年的统计，在哈萨克斯坦共发生了300起各种原因的洪水，其中70%的洪水与春季洪水有关（表1）。

平原河流动态变化的某些特征，能表征洪水爆发的风险性。平原区的径流量不管年变化率还是最大变化率，变化均很小。根据利沃维奇的观点，哈萨克斯坦平原河流属于融雪型，年径流分布特征表现为洪水高发性风险。根据扎伊科夫的观点，这些平原河流属哈萨克类型，年内径流量非常不稳定:春季径流量占90%。在个别年份，洪水峰值往往特别高，各河流中的径流量最大值甚至超过平均值几千倍。

洪水是自然界中损失最严重的灾害，从发生概率、分布面积、财产的损失等均在所有灾害中排第一位。全世界遭受洪水灾害的地区超过70%，根据世界气象组织的统计，在20世纪世界因洪水死亡的人数达900万人，其中，57%的遇难者是由于1993～2002年（10年间）世界级的洪水灾害的受害者。

1998～2002年洪水袭击了128个国家，死亡48.5万人，在淹没地区12.9亿人受灾，直接经济损失不小于1.25×10¹¹美元。在美国，由于洪水每年平均死亡140人，经济损失为50亿美元。在俄罗斯，每年损失5万km²的土地，受灾城市300余座，受灾人口数万人；由于洪水每年造成的经济损失达4160亿卢布（2001年的价格），间接损失649亿卢布。1962～1992年（30年间），在俄罗斯由于自然灾害死亡3千人，受灾54万人，这个统计数字的30%是与洪水有关的。

哈萨克斯坦也不例外，1993～2003年在哈萨克斯坦所有的水源地，由于自然和人为因素造成的春季雨洪灾害的爆发率达39%，造成的遇难人数占总人口的56%，经济损失占该地经济总数的50%。

表1　洪水类型、发生原因及其特征

Table 1　Types，factors and characteristics of floods

续表

哈萨克斯坦的洪水有时波及很大的区域。1993年春天的融雪—雨水洪水，实际上是在很多平原河流形成的，受灾669个居民点，死亡6人，迁移了12700人；淹没和毁坏了7000多座房子。据官方统计，直接经济损失为50～60亿美元；在田吉兹石油矿区，库里萨尔村庄被淹没1000座房子，700座房被毁；在冉银河、乌特瓦河，砂干河、叶熙里河、努拉河，以及某些山间河流，水位急剧升高；在卡拉—叶尔吉斯河、阿雷斯河、科列斯河、巴达木河，洪水期间某些河流的水位上涨程度甚至是很少见的。

定量评价区域洪水灾害的风险，主要从以下几方面:

·河水最大径流量（这是河水水位上升的原因）；

·最大水位；

·洪水期河流中水位上升值；

·河流泛滥的频率；

·高洪水期河漫滩被淹没的深度；

·高洪水期时淹没近河地区的宽度；

·高洪水期淹没河漫滩的持续时间。

每条河段都有一定的径流量，定量评价都是建立在多年观察数据的基础之上。然而，对于灾害风险的评价却很少见，很多研究者早期采用的那种通用方法尚不完善，还需要进行模拟研究。

在建设任何一个水利设施时，都应考虑罕见的（小概率）洪水事件的最高水位和最大流量，评估洪水期工程的最大允许泄流量及其运营时限。完成上述工作往往会遇到以下两种情况:

①高洪期（罕见的大型洪水），洪水波高浪急，无法准确计算；

②计算洪波的高度时，精度不够。

这些都会最终导致对小概率洪水的重现率和设施的运营时限的错误计算。

在文献^［5］中提供过这样的数据:1946～1955年，在2000个大型的堤坝中，有12个已经被毁，近10年又毁坏了24座。对300个事故进行分析显示，30%事故发生于河流流量超过计算值。

为了降低主观因素，运用外推法将所观察的特征值与实测曲线进行了拟合。这个实践是从假设中得来的，由于河流径流的多年变化对应于一定的稳定概率分布规律，而运用这一规律就可以研究河流径流量的变化和洪水出现的概率。将统计方法引入到水文计算实践中的发明人之一，索科洛夫斯基曾说:“河流径流多年变化的数学分布在一定程度上是正态分布，当采用人为分析时，用曲线外推法，即采用数学模式，选用的数据与经验数据相符。”为了探讨选用数据与经验数据相符问题，肯达尔和斯久阿尔特还撰写了有关运用这些曲线的文章。

规律一词指技术手段，为了描述统计分布，使之更好地适用于经验数据，普遍采用水文特征指数。使用该特征指数是为了评价极值，即估计水文值的最大可能值。一些观点认为:特大洪水是几百年一遇的，按照文献的记载:“在我们地球上发生灾难性的洪水概率很大”，必须从防患于未然认识到这一点，并采用相应的计算方法。由于洪水灾害对于我们来说是不可预知的，如果按照俄罗斯标准和规范中的方案《СНИП2－01.14－83》和建议来执行，根据近年来洪水发生的情况，在计算保护堤坝或研究其他水文设施的方案时，必须先完成概率分布规律的统计计算，一些作者提出采用伽马分布规律（即皮尔逊Ⅲ型分布—译者），作者则建议采用幂函数分布规律。

但是当涉及水位和流量的最大值时，对于上述的情况，就不是仅运用分布规律所能解决的。问题在于洪水是在丰水年和枯水年的各种条件下形成的，在哈萨克斯坦平原地区，在少雪的冬季过后，河床中融解的积雪是形成洪水的主要原因，解冻的集水区实际上不做贡献；而在多雪的冬季，所有的集水区都会参与到洪水的形成之中。在哈萨克斯坦多数地势较低的平原区，冬季的冰雪消融后，水绝大部分不会向河网汇流，只有在丰水年这些融水才会流入到主要的河道。

总之，无论采用何种统计学规律，都不可能描述所有的分布情况，尤其是在一般情况下，统计时间序列的前半部分和后半部分各具有不同的分布规律及特征。在这里，我们感兴趣的是最大流量，因此，我们是依据时间序列的前半部分数据来拟合并建立合理的分布曲线，这被称为截断式（或称分段式）配线法。在新的俄罗斯规范（2004年）中，建议在特定的情况下，以配线法建立序列曲线时，可采用两个阶段:

图1　库别兰卡特河最大流量频率特性曲线（截断式曲线分布的实例）Fig.1　Frequency characteristic curve of the maximum of flow of Kalblenkart River（a case of secticnal freguency distribution）

第一，截断点一般对应于样本值的中位数。

第二，两个阶段的样本点系列均应各自遵循一定的分布规律。

图1中显示了由散点分布建立的库别兰卡特河最大流量的特征曲线，由图可见，曲线拐点出现在保证率（频率）为25%处。沿纵坐标方向有50%的散点分布于截断式曲线上。

我们建议将图解分析法应用于截断式曲线分布（由Г.А·阿列克谢耶夫提出，见文献^{［10－11］）}。该法由两个点就可以形成截断线，借助于阿列克谢耶夫的通用公式，求出偏态系数C_s。阿列克谢耶夫公式是由一系列最大流量或者水位的保证率（频率）值建立的。当评价小概率事件的最大流量和水位时，建议使用上述例子采用的方法，评价结果可以得出发生洪水危险的最大流量和水位的基本值。该方法的保证率值从0.5%～1.0%开始。

总之，使用该法首先应很好的接近经验值，线2后半部分的点与偏态系数C_s关系不大，实际上经常是不确定的。

采用截断分布确定最大流量，常常会导致流量计算值偏大，因为当洪水流经漫滩时，对最大水位影响很大，这时采用截断分布法，会导致水位计算偏小。

表2　不同河流断面，在采用方案1和方案2对的偏态系数C_s以及对应的三种保证率下的水位差

Table 2　C_s value and water level differences under 3 guaranteed rations and 2 schemes in different cross section

方案1:截断式分布，C_s为负为主；方案2:全分布，C_s以正为主。

由表可见，在上述例子中，当最大水位值处于负的不对称分布时，最大水位差达到－100cm，当最大水位值处于正的不对称分布时，最大水位差为＋50cm。

洪水期某些水安全特点

通过计算可以看出，哈萨克斯坦主要河流的水位和流量的最大值，是以上述讨论的规律为基础。比较河流水位值的计算、水溢流到漫滩的水位值以及水位达到的危险高度（即对居民点和农业区造成危险的水位高度），可以评价危险等级。其中，淹没的概率、漫滩淹没的深度或者超过水位的危险值高度，均可运用危险特征图表明，其中水位的急剧变化是主要危险特征。

冰冻的影响:当发生流冰阻塞时，冰严重阻水，致河流水位抬升；当山间河流中出现冰坝时，也会抬升水位。按照巴诺夫和聂仁霍夫斯基的文献资料，哈萨克斯坦的河流可以分为4类，其中类型I为3种冰雪堆积增加的河流。其河流类型和冰雪变化的各种特点如下:

当河流上覆盖的冰层不断扩大并向岸冰聚集时，冰的围堤形成，河流开始冰冻。

类型1a——河流上覆盖的冰层不断加厚扩大，向岸边聚集；

类型1b——河流上的冰冻是从冰层堆积形成坝体开始的；

类型1c——河流自上而下发生冰冻，冰覆盖的边缘沿河流向上运移；

类型2——河流具有不稳定性和间断性冰冻的特点；

类型3——河流具有冰冻现象，但是没有过多的冰或者只是在严冬有冰；

类型4——没有冰的河流（或者是在河流中的某些段没有冰）。

属于流冰阻塞的形成类型有:类型1b、类型1c和类型2；而冰坝现象属类型3。

按照别伊林索的资料，在个别年份的秋季，伊犁河带冰的河水水量为4亿～5亿m³，这使得额尔齐斯河和锡尔河的流量增加，同时产生流冰阻塞，河流水位的抬升也超过了春季洪水的峰值。

当流冰阻塞、冰坝消融时，就形成了冰雪混杂的泥石流，冰的运动速度为2～3m/s此现象主要发生在以下几条河流:阿克苏、比艾、大阿尔马季卡、卡斯克列、萨尔坎德、契冉河等。

夹杂着冰的泥石流具有很大的破坏力，他们破坏水文设施，并引起水电站的停电。

据文献^{［13—14］}中记载，在20世纪70年代下半叶，一些河流中发生了流冰阻塞和冰坝现象，导致水位抬升。哈萨克斯坦有5个地方发生流冰阻塞和冰坝现象，导致水位抬升，水位上升高度相比正常地区高20%。哈萨克斯坦中部的一些河流，如图尔盖河和萨雷苏河，根据8个断面的资料，水位升高的河段有:中部河流，北部河流和西部河流（伊锡姆，努拉河，伊列克河等等）。由此可见，流冰阻塞和冰坝现象可以影响河水的最高水位。以下我们按照两种方法来评价冰冻带来的附加风险，并建立经验特征曲线。

（1）借用实测曲线比较河床年内的最大水位；

（2）借用最大水量曲线值，比较水位。

总之，在哈萨克斯坦的某些河流的一些断面，由于流冰阻塞和冰坝等现象，可观测到在某年水位的最大值超过2.0～2.5m，而在伊锡姆河水位甚至超过了4m。观测结果还表明，罕见的（小概率出现的）最大水位H _max甚至超出平常最高水位值1.0～1.8m，而在伊锡姆河差值高达2.0～2.5m。

因此，首先应肯定流冰阻塞和冰坝现象不仅影响河流某年的水位抬升，也影响罕见的（小概率的）最高水位值H _max。

哈萨克斯坦的山间河流，冰的形成很常见。图中根据别依林索的资料，显示了一些河流每月冰冻期的天数。

图2　多条河流在丰水年各月冰冻期的平均天数
Fig.2　average freeze—up days of several rives in every month of high flow yeara—定期冰冻的河流:1—撒雷河（低于乌利肯山口约2km）；2—卡尔卡拉；3—列普斯（列普新斯科市）；4—列普斯（安东诺夫卡村）；5—巴卡纳斯。b—不定期冰冻的河流:1—撒雷河；2—齐力克；3—阿克苏；4—科克苏（位科克苏农庄）；5—科克苏（位库克—克列乌峡谷）。
a—regular frozen river:1—Cesare river（2 km under vr；ken mountain pass）；2—Carl lare；3—Lepsveridze（lepsveridze city）；4—Lepsveridze（Antonov Card Village）；5—Ba Canas b—unregular froten river:1—Cesare river；2—Kilik；3—Aksu；4—Cork sue（located at cork sue viuage）；5—Cork Sue（located at cook—column gorge）

例如，撒雷河的冰冻期在12月到1月，持续20天。

在伊列河，秋季冰冻层最厚的厚度为40～60cm，而水量为67m³/s（昼夜）。

沿锡尔河源头到河流出口，冰冻和流冰阻塞现象随处可见。许多地方流冰阻塞达100%。在锡尔河南部以及沭河、塔拉斯河、阿雷斯河，流冰阻塞导致的水位抬升达2.5～3.0m。在巴尔喀什湖（包括伊犁河，卡尔坎德，卡洛伊）和哈萨克中部，均具有严重的流冰阻塞现象。水位抬升的最高值出现在卡利爵尔河，水位达4.8m。从文献^［16］的图中可见，哈萨克斯坦南部，哈萨克斯坦东南部和哈萨克斯坦东部山区，冰阻产生的水位抬升，明显高于没有冰阻时的水位。

最后我要声明，在本文中不可能全面地讨论水文危机的所有问题。文中我没有谈到干旱区的重要问题，像河流的水资源短缺，以及非常严峻的堤坝崩塌等情况。去年这样的灾害就发生在阿拉木图地区的科泽尔河，当时一个村庄被淹没，共死亡45人，最大水量不少于1万m³/s（昼夜）。本文主要关注的是与春季洪水有关的现象。

（俄译中:李军媛，中译英:刘燕）

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