葉爾羌河蘇蓋提托乎防洪工程洪水衰減與設(shè)計(jì)洪水分析

楊永康

(新疆喀什水文勘測(cè)局，新疆 喀什 844000)

1 研究區(qū)概況

發(fā)源于喀喇昆侖山北坡的喀喇昆侖山口的葉爾羌河，流域總面積8.73 萬(wàn)km2，長(zhǎng)1165 km，是塔里木河的三大源流之一。葉爾羌河是典型的冰雪補(bǔ)給河流，山區(qū)冰川總條數(shù)為2689 條，其徑流組成決定了該河水資源年際變化不大，年內(nèi)分配的不均勻性，洪峰流量大，洪枯流量相差懸殊。葉爾羌河中游河段先后建成大小水庫(kù)9 座，水電站10 余處。蘇蓋提托乎防洪工程位于葉爾羌河左岸莎車縣亞格艾熱克鄉(xiāng)境內(nèi)，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇，工程等級(jí)為4 級(jí)，主要保護(hù)對(duì)象為西岸輸水總干渠、總分水閘。防洪工程河段長(zhǎng)度為2.6 km，確定本次水文計(jì)算節(jié)點(diǎn)分別為起點(diǎn)樁號(hào)43+950、終點(diǎn)樁號(hào)46+550 處。

2 氣象水文及洪水成因分析

2.1 氣象水文分析

葉爾羌河為典型的干旱大陸性氣候，多年平均氣溫10.3℃，多年年平均降水量為76.1 mm，該河上先后設(shè)立過(guò)13 處國(guó)家基本水文站。本次主要以卡群站、依干其渡口站作為參證站進(jìn)行水文分析?？ㄈ核恼驹O(shè)立于1953 年6 月，集水面積50248 km2，為葉爾羌河出山口水量控制站，屬于國(guó)家基本水文站。依干其渡口水文站設(shè)立于1967 年5 月，于1968 年6 月停測(cè)，1971 年7月恢復(fù)觀測(cè)，該站集水面積50763 km2，屬于國(guó)家基本水文站。兩站洪峰系列長(zhǎng)度分別為57 年、39 年，資料準(zhǔn)確可靠，系列長(zhǎng)度均達(dá)到《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》要求，且具有一定的代表性，將之作為參證站設(shè)計(jì)洪水依據(jù)，是較可靠的。

2.2 洪水分類與調(diào)查洪水分析

葉爾羌河洪水以其極高的起漲速率，異常高的洪峰值而聞名于世，其洪水類型根據(jù)成因分為：冰雪消融型洪水、冰川“潰壩型”洪水、暴雨型洪水和混合型洪水。不管是何種洪水，均有很強(qiáng)的災(zāi)害性。解放后，各有關(guān)部門先后對(duì)葉爾羌河中、上游地區(qū)歷史洪水做過(guò)區(qū)域性調(diào)查，其調(diào)查成果見(jiàn)表1。

表1 葉爾羌河歷史洪水調(diào)查成果表

1880 年洪水峰值為9140 m3/s，是迄今最大的一場(chǎng)洪水，其重現(xiàn)期為132 年。其他三場(chǎng)歷史洪水只是常遇洪水，就不加入歷史洪水進(jìn)行水文分析計(jì)算。

3 洪峰衰減分析

3.1 卡群水文站以上洪水分析

卡群水文站以上是葉爾羌河的主要產(chǎn)洪區(qū)，與上游庫(kù)魯克欄干站相距102 km，集水面積相差17320 km2，區(qū)間有塔什庫(kù)爾干河和其他五條小支流匯入，由于一次天氣過(guò)程引發(fā)的融雪洪水或暴雨洪水往往是全流域性的，因此，卡群站洪峰流量由于集水面積的增加大于上游庫(kù)魯克欄干站的洪峰流量。而當(dāng)葉爾羌河發(fā)生潰壩性洪水時(shí)（主要發(fā)生在庫(kù)魯克欄干站上游克勒青河），庫(kù)魯克欄干站和卡群站之間集水區(qū)域并無(wú)較大洪水匯入，受沿程洪水波的坦化作用，卡群站洪峰流量小于上游庫(kù)魯克欄干站的洪峰流量。阿爾塔什專用站和卡群站2006年6 月至2010 年12 月有同期流量資料，挑選兩站同場(chǎng)次洪峰流量（大于1000 m3/s）進(jìn)行分析，相關(guān)關(guān)系見(jiàn)表2，相關(guān)系數(shù)為0.99。

3.2 卡群站至依干其渡口站洪水衰減分析

由出山口的卡群站至依干其渡口站為徑流散失區(qū)，河流出山口后，河床比降減緩，河床質(zhì)顆粒變細(xì)，河槽調(diào)蓄能力增強(qiáng)，洪水沿程坦化。衣干其渡口站與卡群站之間無(wú)支流加入，集水面積僅相差1%，其相關(guān)關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)為0.958。經(jīng)計(jì)算卡群站至依干其渡口站還原后洪峰流量沿程遞減率變化為0.7%～51.6%，見(jiàn)圖1，其中卡群站洪峰流量4040 m3/s～6070 m3/s的沿程遞減率變化為26.1%～41.5%。挑選沿程遞減率最小的26.1%計(jì)算單位長(zhǎng)度沿程遞減率變化為0.348%/km。葉爾羌河各參證站年最大洪峰流量相關(guān)分析成果見(jiàn)表2。

表2 葉爾羌河各參證站年最大洪峰流量相關(guān)分析成果表

圖1 卡群至依干其渡口站同期洪峰衰減率圖

4 設(shè)計(jì)洪水分析

4.1 參證站設(shè)計(jì)洪水

卡群站1954 年～2010 年、衣干其渡口站1972 年～2010 年實(shí)測(cè)洪峰選樣采用年最大值法，并采用實(shí)測(cè)連續(xù)序列頻率分析和加入葉爾羌河1880 年歷史洪水以不連續(xù)序列頻率，分析兩種方法進(jìn)行各參證站設(shè)計(jì)洪峰流量結(jié)果，見(jiàn)表3。經(jīng)過(guò)比較，各參證站實(shí)測(cè)系列洪峰均遠(yuǎn)小于1880 年歷史洪水峰值，各站不同頻率連續(xù)系列計(jì)算成果較不連續(xù)系列偏小1.4%～9.9%，具體見(jiàn)表3。

表3 參證站設(shè)計(jì)洪峰兩種方法計(jì)算成果比較表

由表可知，加入歷史洪水后采用不連續(xù)系列計(jì)算成果更為合理，對(duì)水利工程設(shè)計(jì)更為安全，因此，本次各參證站設(shè)計(jì)洪峰取不連續(xù)系列計(jì)算成果。

4.2 計(jì)算節(jié)點(diǎn)斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

4.2.1 不考慮阿爾塔什水庫(kù)運(yùn)用工況下的設(shè)計(jì)洪水

（1）采用線性插值法推求

工程場(chǎng)址防洪斷面無(wú)實(shí)測(cè)水文資料，根據(jù)工程河段自卡群站至衣干其渡口洪峰流量逐漸減小的規(guī)律，以參證站設(shè)計(jì)洪峰流量作為控制，采用線性插值法推求設(shè)計(jì)洪峰流量，計(jì)算公式如下:

式中：Qp 為插值斷面設(shè)計(jì)洪峰流量(m3/s)；Qsp 為上游參證站設(shè)計(jì)洪峰流量(m3/s)；Qxp 為下游參證站設(shè)計(jì)洪峰流量(m3/s)；L為上游與工程場(chǎng)址斷面間距；Lsx 為上游參證站與下游參證站間距。

蘇蓋提托乎防洪工程距離上游卡群水文站26 km，距離下游依干其渡口水文站49 km。終點(diǎn)距離上游卡群水文站28.6 km，距離下游依干其渡口水文站46.4 km。以推薦的表3 卡群站、衣干其渡口站設(shè)計(jì)洪峰成果推求計(jì)算節(jié)點(diǎn)斷面不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量，其樁號(hào)（43+950）20 年一遇洪水為4974 m3/s，其樁號(hào)（46+550）20 年一遇洪水為4899 m3/s。

（2）按洪峰流量沿程變化推求

經(jīng)計(jì)算卡群站至依干其渡口站還原后洪峰流量沿程遞減率變化為0.7%～51.6%，其中卡群站洪峰流量4040 m3/s～6070 m3/s的沿程遞減率變化為26.1%～41.5%。挑選沿程遞減率最小的26.1%計(jì)算單位長(zhǎng)度沿程遞減率變化為0.348%/km。推求出樁號(hào)（43+950）20 年一遇洪水為5212 m3/s，其樁號(hào)（46+550）20 年一遇洪水為5160 m3/s。

（3）推薦成果

按洪峰流量沿程變化推求時(shí)所采用的沿程遞減率變化范圍較大，存在一定的任意性，精度不高；采用線性插值法推求時(shí)采用兩站設(shè)計(jì)值變化范圍較小，精度較高，推薦采用線性插值法推求設(shè)計(jì)洪峰流量成果。

4.2.2 考慮阿爾塔什水庫(kù)運(yùn)用工況下的設(shè)計(jì)洪水

阿爾塔什水庫(kù)對(duì)洪水的調(diào)節(jié)作用明顯，當(dāng)河道洪水在20年一遇時(shí)（洪峰流量5590 m3/s），下泄流量為1750 m3/s，按阿爾塔什專用站和卡群站關(guān)系，推求該下泄洪水至卡群站為1800 m3/s。當(dāng)河道洪水小于50 年一遇時(shí)（洪峰流量7390 m3/s），下泄流量為4214 m3/s。再考慮洪水沿程遞減變化，則計(jì)算節(jié)點(diǎn)斷面設(shè)計(jì)洪水小于下泄洪水，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上兩種方法計(jì)算成果，從工程安全考慮，不選用此成果。

4.2.3 計(jì)算成果的合理性分析

自2000 年以來(lái)，經(jīng)自治區(qū)水文局、水利廳、水利部水規(guī)總院審查通過(guò)的葉爾羌河設(shè)計(jì)洪水相關(guān)成果報(bào)告有《新疆維吾爾自治區(qū)葉爾羌河防洪規(guī)劃報(bào)告》（簡(jiǎn)稱防洪規(guī)劃）、《新疆葉爾羌河防洪一期工程水文分析計(jì)算》（簡(jiǎn)稱防洪一期）、《葉爾羌河勿甫渠首除險(xiǎn)加固工程水文分析計(jì)算》（簡(jiǎn)稱勿甫水文），《葉爾羌河依干其渠首除險(xiǎn)加固工程水文分析計(jì)算》（簡(jiǎn)稱依干其水文）等，與本次設(shè)計(jì)洪峰對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

《防洪規(guī)劃》中各水文站資料系列截止年限為2000 年，《防洪一期》各水文站資料系列截止年限為2005 年，本次資料系列延長(zhǎng)到2010 年。以上3 個(gè)報(bào)告中卡群站和依干其渡口站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法，均為在實(shí)測(cè)系列基礎(chǔ)上加入1880年葉爾羌河歷史洪水、以不連續(xù)序列進(jìn)行計(jì)算?！段鸶λ摹分懈魉恼举Y料系列截止年限為2008 年，《依干其水文》中各水文站資料系列截止年限為2009 年，以上2 個(gè)報(bào)告對(duì)卡群站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法為在實(shí)測(cè)系列基礎(chǔ)上加入1880 年葉爾羌河歷史洪水，以不連續(xù)序列進(jìn)行計(jì)算，對(duì)依干其渡口站資料沒(méi)有進(jìn)行還原計(jì)算，對(duì)依干其渡口站只按實(shí)測(cè)連續(xù)系列進(jìn)行計(jì)算。

表4 葉河各斷面歷次設(shè)計(jì)洪峰成果比較表

從表中可以看出，與卡群站各成果對(duì)比，本次成果大于《防洪規(guī)劃》和《防洪一期》設(shè)計(jì)成果，而與《勿甫水文》和《依干其水文》設(shè)計(jì)成果接近。對(duì)依干其渡口站各成果對(duì)比，本次成果大于《防洪規(guī)劃》、《勿甫水文》和《依干其水文》設(shè)計(jì)成果，而小于《防洪一期》設(shè)計(jì)成果。對(duì)防洪斷面各成果對(duì)比，本次成果大于《防洪規(guī)劃》、《防洪一期》設(shè)計(jì)成果。經(jīng)分析，本次設(shè)計(jì)成果具有一定的合理性，可以作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

葉爾羌河洪水類型復(fù)雜多樣，特大洪水洪峰量級(jí)罕見(jiàn)，災(zāi)害嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)葉爾羌河洪水種類、河道洪水演進(jìn)衰減率、上游水庫(kù)削截和不影響洪水的不同情況下，蘇蓋提托乎防洪工程20 年一遇設(shè)計(jì)洪水分析探討，提出工程20 年一遇設(shè)計(jì)洪峰為4974 m3/s。并與調(diào)查洪水、參證站設(shè)計(jì)洪水，以及有關(guān)防洪規(guī)劃相同頻率的設(shè)計(jì)洪水對(duì)比，以確保工程設(shè)計(jì)洪水科學(xué)、安全。