托克遜縣新干溝防洪工程洪水分析與河道演變

魏 娟

托克遜縣總面積17342 km2，為典型的溫帶大陸性干旱氣候，新干溝位于托克遜縣西南，為該縣三大洪水來源之一。出山口（斷面1）以上集水面積為272.5 km2，河長27.4 km，一般無水流。由于該區(qū)域植被發(fā)育差，山體裸露，遇到較大降雨則易誘發(fā)山洪。洪水出溝口后，呈多股漫流狀態(tài)，一部分洪水流入縣城城東區(qū)，一部分則流入戈壁灘。為了確保縣城東及工業(yè)園區(qū)的安全，規(guī)劃在新干溝修建防洪工程，需對新干溝防洪工程設計洪水和河勢演變進行分析。

1 洪水特性與調(diào)查

1.1 洪水成因

新干溝暴雨成因主要是由天山及阿拉溝山西段空中水汽在南移到干溝區(qū)域過程中，由于暖濕空氣遇到地形抬升而形成。干溝區(qū)域暴雨主要集中在6～8月間，時空分布極不均勻，其特點是歷時較短，陣性強，籠罩面積小，暴雨量不大。當流域內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)性降水或較大雨強的局地暴雨時，區(qū)域會形成超滲產(chǎn)流而發(fā)生暴雨洪水，威脅城區(qū)安全。

1.2 洪水特性

新干溝的洪水溝位于托克遜縣西南方向，覺羅塔格山北坡的河流沖積平原上，由多條較小沖溝組成，呈葉狀分布，河床不明顯，山前出山口與工程場址之間為荒漠戈壁區(qū)。

新干溝內(nèi)無任何植被，屬間歇性洪溝。洪水多發(fā)生在6～8月份之間.由于流域坡面陡，洪水匯流時間及洪水過程歷時短、陡漲陡落、峰高量小，且具有突發(fā)性強、來勢迅猛、破壞性極強等特性，洪水過程線呈明顯的尖瘦峰型。

1.3 洪水調(diào)查

新干溝沒有任何水文觀測記錄，僅有2002年6月8日干溝發(fā)生的特大洪水調(diào)查，洪峰流量為111 m3/s。從本流域自然地理特征、氣候因素、洪水成因等方面分析，流域產(chǎn)生洪水的成因主要為暴雨所致。從氣象資料分析，新干溝2002年產(chǎn)生最大洪峰時，當日降水為有氣象資料以來的最大值，而干溝流域出山口與氣象觀測站之間的距離僅為19.6 km。因此，干溝發(fā)生洪水的重現(xiàn)期與最大一日降水量重現(xiàn)期在理論上是同步的。由此推算出，新干溝2002年產(chǎn)生最大洪峰（111 m3/s）的重現(xiàn)期為55年一遇。

2 新干溝防洪工程設計洪水計算

2.1 參證站選定

新干溝屬無資料地區(qū)，現(xiàn)以相鄰的阿拉溝出山口阿拉溝站為參證站，阿拉溝站從1957年開始觀測降水量，本次收集到1957～2011年降水量月年統(tǒng)計資料及1957～2011年水文資料。本次采用小流域暴雨洪水推理公式、調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法和地區(qū)綜合頻率曲線法對新干溝進行設計洪水計算。

2.2 推理公式法

從托克遜縣氣象站30年觀測暴雨資料統(tǒng)計可知：2002年6月7日夜至8日晨，新干溝流域產(chǎn)生暴雨并引發(fā)少見的大洪水，同一時間托克遜縣氣象站觀測到：一次降水量為14.2 mm，日降雨為16.9 mm，月降水量為21.0 mm，均屬有觀測記錄以來的排位第一。2002年6月7日夜至8日晨，阿拉溝水文站觀測到的一次降水量為3.4 mm，同日阿拉溝水文站產(chǎn)生的相應最大洪峰流量為23.2 m3/s。本次分別采用托克遜縣氣象站1981～2010年最大日降水量資料和阿拉溝站1957～2011年最大日降水量進行頻率計算，年最大日降水量頻率計算成果見表1。

表1 各站年最大日降水量頻率計算成果表

參考《設計洪水計算常用方法教材》中吐哈地區(qū)段點雨量折算為面雨量的折算系數(shù)為1.263。采用托克遜縣氣象站和阿拉溝站最大一日暴雨設計值，用推理公式法推算新干溝相應頻率P=1%、2%、5%、10%的設計洪峰流量，其成果見表2。

2.3 調(diào)蓄單位經(jīng)驗線法

以托克遜縣氣象站作為干溝區(qū)域參證站計算點、面雨量，從暴雨圖集查到托克遜縣概化雨型及逐時分配百分比，乘以設計面雨量即得逐時設計面雨量過程。據(jù)《新疆中小流域設計暴雨洪水圖集》中編制的綜合產(chǎn)流參數(shù)，用不同頻率的產(chǎn)流經(jīng)試算求得產(chǎn)流歷時，平均損失率及產(chǎn)流期平均凈雨強度，再用平均凈雨強度與集水面積在匯流參數(shù)圖上查得用時，用調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法進行產(chǎn)匯流計算。新干溝調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法計算成果見表2。

2.4 洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法

本次采用洪水調(diào)查成果，計算新干溝的設計洪峰流量。新干溝2002年洪峰流量111 m3/s的重現(xiàn)期確定為55年。根據(jù)55年相應的模比系數(shù)4.6255，采用阿拉溝、煤窯溝、二塘溝、柯柯亞等水文站歷史調(diào)查洪水和實測洪峰流量樣本，編制地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線（見圖1），據(jù)此求得KP值及新干溝不同設計頻率設計洪峰流量，詳見表2。

圖1 吐魯番地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線圖

2.5 成果合理性分析

推理公式法是《水利水電工程設計洪水計算規(guī)范》中推薦的在較小流域面積內(nèi)、有實測暴雨資料或鄰近地區(qū)有可借用的實測雨資料者可以選用的方法之一。本次選用的阿拉溝站和托克遜氣象站最大一日降水量，并用《新疆可能最大暴雨圖集》資料校對，具有較好的代表性，在選用暴雨衰減、土壤損失等參數(shù)時，參考了設計洪水計算常用教材中提供的試驗數(shù)據(jù)。通過對比發(fā)現(xiàn)，利用推理公式法采用不同的參證站所推求設計洪峰流量值相差較大，考慮到新干溝的高程高于托克遜縣氣象站，建議采用阿拉溝站的暴雨設計洪峰流量比較合理。

《新疆中小流域設計暴雨洪水圖集》出版于1983年，所采用資料年限較短，不符合現(xiàn)在的實際情況，加之本次計算的洪峰流量偏小，故調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法不建議采用。

洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法選用的水文氣象資料系列長、歷史洪水調(diào)查成果可靠，簡便易行、適用于無資料流域的洪峰流量計算。本次計算，采用推理公式法計算的不同保證率的設計洪峰成果與洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線推求的設計洪峰流量成果誤差均在20%以內(nèi)。另外，通過調(diào)查訪問，確定55年一遇的2002最大洪峰調(diào)查值已為當?shù)厮麑＜艺J同，本次復核后亦無較大異議，而且又與地區(qū)綜合頻率曲線法推求的55年一遇的設計值相吻合。因此，從安全考慮，建議采用地區(qū)綜合頻率曲線法計算成果作為新干溝設計洪峰流量設計成果。三種方法計算成果對比見表2。

表2 新干溝（出山口）設計洪峰流量成果對比表

2.6 擬建防洪工程處的洪水計算

擬建防洪工程在洪水調(diào)查斷面（二）下游0.16 km處，則斷面二設計洪水即為工程處設計洪水。本次計算防洪工程處的設計洪水，用洪水調(diào)查斷面（二）作為計算節(jié)點，具體計算思路如下：

（1）洪水調(diào)查斷面（一）到洪水調(diào)查斷面（二）之間的洪水衰減損失率計算

通過洪水調(diào)查資料得出2002年大洪水從斷面（一）到斷面（二）洪峰流量由111 m3/s減至 54.4 m3/s，斷面（一）到斷面（二）之間的距離為6.2 km，區(qū)間無任何匯入和流出，由衰減公式計算出洪水調(diào)查斷面（二）的洪水損失率為8.22%。

（2）洪水調(diào)查斷面（二）處的設計洪峰流量的計算

根據(jù)洪水衰減損失率計算成果，洪水調(diào)查斷面（二）處每公里洪水損失率為8.22%，利用洪水調(diào)查斷面（一）（出山口）處的設計洪峰流量和衰減損失率、設計斷面距上游站距離可以計算出斷面（二）處的設計洪峰流量。設計斷面洪峰流量計算公式如下：

式中：Qgp為設計斷面設計洪峰流量（m3/s）；Qsp為上游調(diào)查斷面設計洪峰流量（m3/s）；KP為洪峰流量沿程每公里相對衰減損失率；LSg為設計斷面距上游站距離（km）。

計算結(jié)果見表3。

表3 防洪壩起始壩址處（洪水調(diào)查斷面二）設計洪峰流量成果表

3 新干溝防泄河段河床及河勢分析

3.1 泥沙

新干溝洪水影響區(qū)防洪工程泥沙來源的主要因素是氣候因素中的降水及流域下墊面因素，如土壤、植被等。根據(jù)阿拉溝站的實測懸移質(zhì)泥沙資料統(tǒng)計：多年平均含沙量1.33 kg/m3，輸沙率5.59kg/s，輸沙模數(shù)為108 t/km2。多年平均懸移質(zhì)輸沙量為20.1×104t，歷年最大日平均輸沙率為7100kg/s（1998年8月12日）。

新干溝防洪壩起始壩址處在平原區(qū)，其集水面積為290.5 km2，借用的阿拉溝站多年平均年懸移質(zhì)輸沙模數(shù)為108 t/km2，則新干溝防洪壩起始壩址處多年平均懸移質(zhì)輸沙量計算值為 3.14×104t。對于山區(qū)河流，β=0.15～0.30之間，結(jié)合本流域?qū)嶋H情況，采用0.30計算，新干溝防洪壩起始壩址處多年平均推移質(zhì)輸沙量計算值為0.94×104t。新干溝防洪起始壩址處多年平均總輸沙量計算值為4.08×104t。由于影響新干溝泥沙來源的主要因素除暴雨因素外，其流域下墊面因素（如土壤、植被）等與參證河流—阿拉溝河差異很大。設計流域?qū)贅O干旱地區(qū)，山體切割破碎，地表裸露，土壤松散，河道縱坡較大，當山區(qū)發(fā)生大降水引發(fā)洪水時，松散的土壤很容易被地面徑流侵蝕帶入河槽，增加水流中挾帶的泥沙。而參證站流域相對于設計流域，其流域自然地理條件及下墊面情況遠遠優(yōu)于設計流域，由此推論，設計流域的多年平均年輸沙模數(shù)應大于參證流域。因此，為了安全考慮，建議在現(xiàn)有設計流域多年平均總輸沙量計算值的基礎(chǔ)上加大20%，作為設計使用。

3.2 河勢分析

新干溝出山口以上河道兩邊山勢較高，河道比降為0.072，河床質(zhì)為粗沙礫，有少許植被。出山口以下河道較寬，河道兩邊山勢較低，河道比降為0.024，河床質(zhì)由沙礫轉(zhuǎn)變成細沙、粉土，基本無植被。新干溝擬修防洪壩工程壩址上游1 km處河段較順直，河道寬淺，河床內(nèi)有大量泥沙存在，河床主要由細沙、粉土及沙礫組成，河勢穩(wěn)定。

4 結(jié)語

新干溝洪水災害性強，因此，建設托克遜縣新干溝防洪工程勢在必行。經(jīng)過野外調(diào)查和洪水調(diào)查，并采用無資料區(qū)域計算設計洪水等多種方法，對新干溝的設計洪水進行了反復計算和論證，新干溝河勢穩(wěn)定，防洪工程處百年一遇洪水為65.7 m3/s，五十年一遇洪水為53 m3/s，二十年一遇洪水為37.5 m3/s，可供托克遜縣防洪設計、城市建設等參考使用。