烏什縣托什干河段防洪堤設(shè)計(jì)洪水位風(fēng)險(xiǎn)分析

盧 祿

（阿克蘇地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 阿克蘇 843000）

1 托什干河段水位變化趨勢(shì)

根據(jù)1920 年～2004 年（1935～1946 年缺測(cè)）托什干河沙里桂蘭克水文站年最高潮水位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，水位超10.00 m 洪水共出現(xiàn)15 次，其中1920 年～1944 年1 次，1945 年～1981 年3 次，1982 年～2004 年11 次；水位超10.50 m 洪水共出現(xiàn)8 次，其中1945 年～1981 年1 次，1982 年～2004 年7 次。大洪水頻率越來(lái)越高，不同時(shí)段水位超限次數(shù)見表1。

表1 沙里桂蘭克水文站最高潮水位超限次數(shù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)托什干河沙里桂蘭克水文站最高水位序列求其15 年移動(dòng)平均值，結(jié)合計(jì)算結(jié)果描繪H15～t 過(guò)程曲線[1]，詳見圖1。根據(jù)曲線變動(dòng)趨勢(shì)來(lái)看，前期波動(dòng)較為平穩(wěn)，從上世紀(jì)六十年代末七十年代初開始水位上升幅度增大。

圖1 沙里桂蘭克水文站最高水位序列15 年移動(dòng)平均曲線

結(jié)合托什干河水位上升趨勢(shì)，按照1920 年～1950 年、1920年～2004 年、1950 年～2004 年及1980 年～2004 年四個(gè)時(shí)段分析最高水位頻率，結(jié)果詳見表2。

表2 沙里桂蘭克水文站各時(shí)段年最高水位頻率結(jié)果

上表顯示，各時(shí)段內(nèi)年最高水位均值依次升高，相同風(fēng)險(xiǎn)度所對(duì)應(yīng)的洪水位也不斷增大，其中1920 年～1950 年資料中1950 年洪水重現(xiàn)期為250 a，選定該水位為托什干河段防洪設(shè)計(jì)水位安全系數(shù)，然而1980 年～2004 年資料顯示該水位重現(xiàn)期為35 年一遇，如果繼續(xù)以其作為托什干河段防洪設(shè)計(jì)水位，顯然不夠合理。

托什干河流域1950 年發(fā)生罕見的特大洪水，汛期的降水量、持續(xù)時(shí)間和影響范圍都出現(xiàn)新高，流域沙里桂蘭克水文站首次出現(xiàn)10.20 m 最高水位。自1950 年以來(lái)，沙里桂蘭克水文站水位超9.50 m 的情況出現(xiàn)過(guò)四次，分別是1962 年的9.89 m、1970 年的9.68 m、1995 年的9.67 m和1998 年的9.98 m，這些年份沙里桂蘭克水文站最大洪水流量分別為76200 m3/s、68300 m3/s、76600 m3/s 和74300 m3/s，占1950 年特大洪水最大流量96400 m3/s的79%、71%、79%和77%。根據(jù)1962 年、1970 年、1995 年以及1998 年四次洪水水位情況，如果1950 年特大洪水雨情重現(xiàn)，則托什干河流域沙里桂蘭克水文站水位將突破10.20 m，所以必須對(duì)托什干河段防洪風(fēng)險(xiǎn)重新進(jìn)行分析，確定設(shè)計(jì)洪水位。

2 托什干河段年水位升高原因分析

托什干河段受潮汐作用影響較為明顯，河段洪水水位變化是由自上游向下游傳遞的洪水波以及反向傳播的潮波所共同作用的結(jié)果，影響托什干河段沙里桂蘭克水文站水位的因素主要有上游來(lái)水量、區(qū)間來(lái)水量、下游潮水位、流域水流特性[2]等。所以分析引發(fā)托什干河段水位上升的主要因素包括：上游來(lái)水量增加、區(qū)間來(lái)水量增大、水流特性改變、下游潮位調(diào)整等。

2.1 上游來(lái)水量增加

選取托什干河段入口斷面喀拉布拉克水文站1925 年～1995 年（其中1938 年～1949 年缺測(cè)）最大流量系列進(jìn)行托什干河段上游來(lái)水量變化分析，顯著性檢驗(yàn)及頻率分析以1970 年為分界點(diǎn)，喀拉布拉克水文站位于沙里桂蘭克站上游約20 km 處。托什干河段上游來(lái)水量系列檢驗(yàn)結(jié)果（α=20%）詳見表3 和表4。

表3 托什干河段上游來(lái)水量系列檢驗(yàn)結(jié)果（α=20%）

表4 喀拉布拉克站年最大流量系列頻率及結(jié)果

根據(jù)表3 檢驗(yàn)結(jié)果，由于t＞tx/2，f＞fx/2，均值與方差檢驗(yàn)都未通過(guò)。

根據(jù)表4 計(jì)算結(jié)果，近年來(lái)，喀拉布拉克站年最大流量均值及同頻率（P=1%，2%和5%）所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流量呈不斷增大態(tài)勢(shì)，而且兩個(gè)樣本之間存在明顯差異，無(wú)法對(duì)應(yīng)同一總體。且洪水期托什干河段上游來(lái)水量增加趨勢(shì)明顯，引起河段年最高水位持續(xù)上升。

2.2 區(qū)間來(lái)水量增大

喀拉布拉克站以上流域面積占托什干河段流域面積的95.7%，區(qū)間面積占比僅2%左右，雖然通常情況下區(qū)間來(lái)水對(duì)托什干河段水位并無(wú)太大影響，但當(dāng)區(qū)間來(lái)水增大且正好與流域融雪洪峰相遇疊加時(shí)，將對(duì)托什干河段洪水位產(chǎn)生不可低估的影響[3]。為量化區(qū)間來(lái)水量增大對(duì)托什干河段水位提升影響，必須分析區(qū)間來(lái)水增大與流域融雪洪峰相遇疊加的概率以及區(qū)間來(lái)水量的變動(dòng)程度，然而由于托什干河段區(qū)間來(lái)水資料較為缺乏，故本次研究對(duì)區(qū)間來(lái)水量對(duì)水位的影響不做分析。

2.3 水流特性的變動(dòng)

選取1950 年～1955 年以及1984 年～1988 年喀拉布拉克站高水位期各月最大流量以及沙里桂蘭克水文站對(duì)應(yīng)月份的最高水位，進(jìn)行線性回歸并繪制水位～流量曲線（圖2），圖2表明，上世紀(jì)50 年代和80 年代喀拉布拉克水文站流量與沙里桂蘭克水文站水位關(guān)系密切，相關(guān)系數(shù)分別為0.918 和0.953，兩個(gè)時(shí)段回歸方程分別是：

式中：H 為沙里桂蘭克水文站水位（m）；Q 為喀拉布拉克水文站流量（萬(wàn)m3/s）。

由圖2 可知，50 年代的水位流量曲線明顯低于80 年代，隨著水位的升高，離差增大，假設(shè)上游洪水來(lái)水量完全相同，則沙里桂蘭克水文站水位明顯升高。對(duì)同一流量樣本繪制不同時(shí)期水位～流量關(guān)系曲線，進(jìn)而推求水位樣本均值，在頻率分別為1%，2%和5%時(shí)設(shè)計(jì)洪水位離差在0.80 m～0.93 m之間，所以，河道水流特性變動(dòng)是導(dǎo)致托什干河段水位上升的主因。

圖2 不同時(shí)段沙里桂蘭克水位與喀拉布拉克流量關(guān)系

3 防洪堤設(shè)計(jì)洪水位風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 風(fēng)險(xiǎn)概述

托什干河段防洪堤工程可能會(huì)出現(xiàn)滿溢、滑坡、管涌、風(fēng)浪淘刷、水流侵蝕等事故類型，且主要取決于工程荷載效應(yīng)L 和承載能力R。L＜R 時(shí)，防洪堤工程處于正常狀態(tài)；L＞R，表明工程部分或整體失效。由于荷載效應(yīng)L 和承載能力R 受諸多不確定因素影響，防洪堤工程失效{R＜L}屬于隨機(jī)事件，其風(fēng)險(xiǎn)概率表示如下：

式中：fRL(r,l)為防洪堤工程荷載效應(yīng)L 和承載能力R 的聯(lián)合分布密度函數(shù)。根據(jù)防洪堤設(shè)計(jì)洪水位風(fēng)險(xiǎn)成因，荷載效應(yīng)L 和承載能力R 相互獨(dú)立，所以式（1）可以改寫為：

水文和水流風(fēng)險(xiǎn)因素都會(huì)增加荷載的隨機(jī)性。水文風(fēng)險(xiǎn)因素主要指導(dǎo)致河段設(shè)計(jì)流量和水位等數(shù)據(jù)發(fā)生偏差的因素，而水流風(fēng)險(xiǎn)因素包括導(dǎo)致河段水流和滲流形態(tài)演變的風(fēng)險(xiǎn)因素。防洪堤工程事故損失包括經(jīng)濟(jì)損失和非經(jīng)濟(jì)損失兩大類，只有充分掌握事故類型、損失強(qiáng)度、歷時(shí)和流域范圍內(nèi)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件，才能進(jìn)行投資- 風(fēng)險(xiǎn)- 效益分析。為增強(qiáng)針對(duì)性，本文僅在考慮水文與水流風(fēng)險(xiǎn)因素的基礎(chǔ)上分析托什干河段洪水位超設(shè)計(jì)水位Hd 的風(fēng)險(xiǎn)，并確定洪水位H 的概率密度分布fH(h)，防洪堤工程的風(fēng)險(xiǎn)P 簡(jiǎn)化如下：

導(dǎo)致托什干河段水位上升的因素很多，而且隨著人們對(duì)流域開發(fā)利用廣度與深度的增大，水位將會(huì)不斷升高，為了加強(qiáng)河段防洪堤設(shè)計(jì)，必須進(jìn)行不同設(shè)計(jì)頻率所對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)水位的分析以及水位超限的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)分析

通過(guò)三種方案對(duì)托什干河段防洪堤設(shè)計(jì)洪水位進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析：

方案一：流域河段水文情勢(shì)的變化具有明顯的階段性，水位在一段時(shí)期內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)托什干河段1970 年以前的水位資料做一致性修正很難反映其水文水流變化趨勢(shì)現(xiàn)狀，而將不一致的樣本資料放在一起分析會(huì)導(dǎo)致誤差增大，所以，在此方案中，直接分析沙里桂蘭克水文站1970 年～1994 年最高水位資料頻率，求得H=8.80 m，Cv=0.09，Cs=0.11，不同設(shè)計(jì)頻率流域沙里桂蘭克水文站設(shè)計(jì)水位詳見表5。

表5 不同設(shè)計(jì)頻率流域沙里桂蘭克水文站設(shè)計(jì)水位

沙里桂蘭克水文站1970 年～1994 年最高水位資料能夠反映流域河段水位變化現(xiàn)狀，但是樣本容量太少，且缺乏代表性。

方案二：與方案一最大法取樣法不同，方案二采用超定量法取樣，選取沙里桂蘭克水文站1970 年～1994 年間逐月洪水位大于8.00 m 的年份共50 次展開頻率計(jì)算，求得H=8.56 m，Cv=0.07，Cs=1.21，將待定的設(shè)計(jì)值年頻率換算成次頻率，查頻率曲線得出設(shè)計(jì)值。

年頻率Pn 與次頻率Pc 之間的轉(zhuǎn)換通過(guò)（4）式實(shí)現(xiàn)：

不同設(shè)計(jì)頻率流域沙里桂蘭克水文站設(shè)計(jì)水位結(jié)果見表5。

方案三：將1970 年前后流域沙里桂蘭克水文站年最大流量系列進(jìn)行置信水平α=20%的檢驗(yàn)。結(jié)果表明，1970 年前后年最大流量系列差異顯著，而當(dāng)置信水平α=10%時(shí)，tx/2=1.762，t=1.385，tx/2＞t；fx/2=1.962，f=1.735，fx/2＞f，均值和方差均通過(guò)檢驗(yàn)，說(shuō)明1970 年前后年最大流量系列不存在顯著差異，可認(rèn)為出自同一總體。所以，采用1925 年～1994 年喀拉布拉克水文站最大流量系列進(jìn)行分析，得出不同設(shè)計(jì)頻率所對(duì)應(yīng)的喀拉布拉克水文站設(shè)計(jì)流量，并結(jié)合80 年代沙里桂蘭克水位與喀拉布拉克流量關(guān)系（見圖2）求得設(shè)計(jì)頻率不同時(shí)沙里桂蘭克水文站設(shè)計(jì)水位，結(jié)果見表5。

上述三種方案計(jì)算結(jié)果較為接近，綜合考慮社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快，烏什縣托什干河段水位升高的趨勢(shì)仍將繼續(xù)，為此筆者推薦設(shè)計(jì)水位較大的方案三。結(jié)合20世紀(jì)80 年代沙里桂蘭克水位與喀拉布拉克流量關(guān)系和1925 年～1994 年喀拉布拉克水文站最大流量系列頻率計(jì)算結(jié)果，得出當(dāng)前條件下烏什縣托什干河沙里桂蘭克水位超限制的風(fēng)險(xiǎn)程度，見表6。

表6 托什干河沙里桂蘭克水文站出現(xiàn)不同水位的風(fēng)險(xiǎn)程度

4 結(jié)論

本文在分析托什干河段水位變化趨勢(shì)以及引起河段水位升高原因的基礎(chǔ)上，僅對(duì)非工程風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致托什干河沙里桂蘭克水文站最高水位超過(guò)設(shè)計(jì)水位的風(fēng)險(xiǎn)程度加以量化計(jì)算，而并未考慮工程風(fēng)險(xiǎn)因素。洪水風(fēng)險(xiǎn)分析是構(gòu)成防洪堤工程防洪風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)，不能只考慮上游來(lái)水量、區(qū)間來(lái)水量、下游潮水位、流域水流特性等風(fēng)險(xiǎn)因素，還必須對(duì)防洪堤失穩(wěn)、防洪閘穩(wěn)定、河床沖刷等風(fēng)險(xiǎn)因素加以研究，才能確保防洪分析的全面性。