無實測資料地區(qū)設(shè)計洪水計算分析
——以烏恰縣阿依嘎爾特河為例

鄒 偉

(五家渠農(nóng)六師勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，新疆 五家渠 831300)

1 項目概況

1.1 流域概況

阿依嘎爾特河位于烏恰縣膘爾托闊依鄉(xiāng)境內(nèi)，自右側(cè)匯入克孜河，匯入口以下12 km處有克孜河卡拉貝利水文站。阿依嘎爾特河全長57 km，流域面積1427 km2，河道平均比降37.6‰，流域形態(tài)呈對稱型樹枝狀。多年來兩岸堤防多為砂袋臨時堆砌，且河床主要由砂卵礫石組成，河道比降較大，洪水期水土流失情況嚴(yán)重。項目區(qū)呈現(xiàn)典型的高原干旱大陸性氣候特征，多年平均年氣溫10.6 ℃，多年平均降水量125.9 mm，8月份為最大降水月，多年平均蒸發(fā)量為3322.7 mm，春夏季多風(fēng)，項目區(qū)封凍期約3個月，最大凍土深為1.5 m。

1.2 參證站選取

本項目區(qū)位于烏恰縣，距克孜河卡拉貝利站較近，流域氣候基本一致。為滿足工程水文分析計算的需要，選取烏恰縣氣象站、阿依嘎爾特河專用水文站、克孜河卡拉貝利水文站、卡浪溝呂克水文站、布古孜河阿俄水文站和恰克馬克河恰其嘎水文站作為參證站[1]，各參證站基本資料有記錄年份見表1。

表1 參證站基本資料

2 洪水分析與計算

2.1 洪水成因

項目流域與卡浪溝呂克河洪水成因相近，本文引用參證流域進(jìn)行說明。冰雪消融、暴雨是卡浪溝呂克河洪水的兩個主要成因,洪水主要分為冰雪消融型、暴雨型及消融與暴雨混合型三種類型洪水。

2.2 洪水特性

2.2.1 消融型洪水特性

消融型洪水與氣溫呈正相關(guān)，發(fā)生時間集中在4—6月份，洪量大，持續(xù)時間較長，漲洪較平緩，峰型多為復(fù)式，具有顯著日變化，一日一峰，呈鋸齒狀?？ɡ藴蠀慰怂恼?967年5月26日消融型洪水過程線見圖1，此類洪水對下游危害程度一般，且春汛及淺山融雪洪水，對下游緩解旱情，具有重要作用。

圖1 卡浪溝呂克水文站1967-05-26消融型洪水過程線

2.2.2 暴雨型洪水特性

暴雨型洪水同降水密切相關(guān)，多發(fā)生在6—9月，尤以7、8月最多。暴雨洪水沖刷能力強(qiáng)，含沙量較大，易造成下游沿線經(jīng)濟(jì)損失。短歷時暴雨洪水陡漲陡落、峰高量??；長歷時降雨洪水峰高量大。1999年7月長歷時暴雨洪水過程如圖2所示。

圖2 卡浪溝呂克水文站1999-07-28暴雨型洪水過程線

2.2.3 混合型洪水特性

本河區(qū)混合型洪水應(yīng)歸結(jié)為是以暴雨為主要特征的混合型洪水。1996-08-17洪水過程如圖3所示，并沒有顯示出消融洪水的峰形特征。分析可知，暴雨洪水的前期為消融洪水，一旦降雨，山區(qū)氣溫普遍降低，影響積雪消融，則后期基本為暴雨型洪水。

圖3 卡浪溝呂克水文站1996-08-17混合型洪水過程線

2.3 洪水系列分析

阿依嘎爾特河專用水文站實測洪水資料年限較短，不具備進(jìn)行系列代表性分析基本條件，本次通過卡浪溝呂克水文站洪水資料分析阿依嘎爾特河流域所處區(qū)域洪水的特性?？ɡ藴蠀慰怂恼緸閲一緶y站，設(shè)立至今洪水資料系列可靠性、一致性較好。

2.3.1 洪水系列的插補(bǔ)延長

自1959—2011年共53年間，卡浪溝呂克水文站有49 a完整的實測洪水資料，1968-05—1969-04、1973-05—07、10—12月和1975年全年資料缺測。該站洪水與周邊站相關(guān)關(guān)系不顯著，相關(guān)系數(shù)小于0.7，對上述4 a洪水資料采用多年均值替代法處理，再參與洪水的分析計算[2]。

2.3.2 代表性分析

(1)長短系列統(tǒng)計參數(shù)分析?？ɡ藴蠀慰怂恼竞榉辶髁抠Y料見表2，采用矩法，估算并對照表2?？梢?，隨著系列的增加,Cv值與均值逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)系列長度達(dá)到40 a以上時，系列統(tǒng)計參數(shù)基本趨于穩(wěn)定。

(2)洪峰流量模比系數(shù)累積平均曲線分析。經(jīng)計算得到卡浪溝呂克水文站洪峰流量模比系數(shù)累積曲線如圖4所示，當(dāng)系列長度在40 a以上時，洪峰流量模比系數(shù)累積平均值漸趨近于1,表明洪峰流量系列均值穩(wěn)定性增強(qiáng)。

表2 卡浪溝呂克水文站不同長度系列

圖4 卡浪溝呂克水文站洪峰流量模比系數(shù)累積平均曲線

(3)洪峰流量模比系數(shù)差積曲線分析?？ɡ藴蠀慰怂恼竞榉辶髁磕１认禂?shù)差積曲線見圖5，可見卡浪溝呂克水文站53 a的最大洪峰流量系列中包含有較完整的洪水年際變化過程和大、小洪水年群。

圖5 卡浪溝呂克水文站洪峰流量模比系數(shù)差積曲線

綜上，當(dāng)系列長度在40 a以上時，卡浪溝呂克水文站統(tǒng)計參數(shù)已趨于穩(wěn)定，年最大洪峰流量系列包含了較完整的洪水年際變化過程和大、小洪水年群，系列具有一定的代表性。

2.4 設(shè)計洪水計算

2.4.1 歷史洪水調(diào)查

采用上下水面線對洪痕進(jìn)行驗證和合理性檢查。歷史洪水調(diào)查斷面成果見圖6、圖7。

圖6 工程場址歷史洪水調(diào)查(1號斷面)大斷面圖

圖7 工程場址歷史洪水調(diào)查(2號斷面)大斷面圖

2.4.2 重現(xiàn)期考證

卡浪溝呂克水文站1999年實測最大洪水是1948年以來排位第一的洪水，其洪水考證期為N=2015-1948+1=68 a，根據(jù)區(qū)域性同步規(guī)律，阿依嘎爾特河1999年大洪水考證期同樣為68 a。

2.4.3 工程場址斷面調(diào)查洪水計算

阿依嘎爾特河工程場址洪水調(diào)查斷面的洪峰流量均采用曼寧公式進(jìn)行計算，基本公式如式(1)或式(2)所示。

(1)

或

(2)

式中：Qm為洪峰流量，m3/s；i為河段平均水面比降；km為調(diào)查河段平均輸水率,m3/s；k上、k下為上、下調(diào)查斷面輸水率，m3/s；F為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；R為過水?dāng)嗝嫠Π霃剑琺；k為過水?dāng)嗝孑斔?，m3/s；n為過水?dāng)嗝婧哟膊诼?。推求各斷面河床糙率采用?3)計算。

(3)

式中：nA、nB、nC為上、中、下斷面河床糙率；RA、RB、RC為各斷面水力半徑,m；FA、FB、FC為為各斷面面積,m2。計算得到的工程場址調(diào)查洪水洪峰流量成果見表3。

表3 工程場址調(diào)查洪水洪峰流量計算成果

2.4.4 參證站設(shè)計洪水計算

參證站設(shè)計洪水計算，采用年最大值選樣，選取年最大洪峰流量依照《水利水電設(shè)計洪水計算規(guī)范》,采用矩法對系列統(tǒng)計參數(shù)進(jìn)行估算，再用適線法選配P—Ⅲ頻率曲線，推求系列的統(tǒng)計特征值。計算公式如式(4)所示。

(4)

表4 卡浪溝呂克水文站設(shè)計洪水計算成果 m3·s-1

2.4.5 工程場址斷面設(shè)計洪水計算

根據(jù)洪水調(diào)查成果和調(diào)查河段自然地理條件，以及暴雨洪水的區(qū)域性特點，分別采用地區(qū)綜合頻率曲線法和面積比指數(shù)法推求工程場址計算斷面設(shè)計洪水[3]。

(1)地區(qū)綜合頻率曲線法。采用卡拉貝利水文站、卡浪溝呂克水文站、恰其嘎水文站和阿俄水文站歷年實測最大洪峰流量資料，計算各站洪峰流量模比系數(shù)，對經(jīng)驗分布點進(jìn)行適線求得該區(qū)域的頻率曲線，理論頻率曲線采用P-Ⅲ型曲線，分別得到不同頻率的設(shè)計洪峰流量模比系數(shù)。為避免中值法確定綜合頻率曲線導(dǎo)致的均化現(xiàn)象，采用系列點群中心適當(dāng)照顧高水點據(jù)的經(jīng)驗適線法[4]，計算成果見表5。

表5 阿依嘎爾特河工程場址處設(shè)計洪水計算成果 m3·s-1

(2)面積比指數(shù)法。阿依嘎爾特河與卡浪溝呂克河具有相似的水文氣候特征和下墊面條件，具備使用該法的前提條件，因參證站與工程場址斷面集水面積基本接近，為此，采用面積比擬來估算阿依嘎爾特河工程場址處設(shè)計洪峰流量和設(shè)計洪量。計算斷面的設(shè)計洪峰流量見表6。

兩種計算方法的結(jié)果較接近，卡浪溝呂克水文站洪水資料系列長，資料可靠。采用面積比擬估算工程場址設(shè)計洪水，計算方法簡便、成果較合理，且有利于工程安全。因此本次計算成果取后者。

表6 阿依嘎爾特河工程場址處設(shè)計洪水計算成果 m3·s-1

3 結(jié) 語

通過選取項目流域內(nèi)烏恰縣氣象站、阿依嘎爾特河專用水文站、克孜河卡拉貝利水文站、卡浪溝呂克水文站、布古孜河阿俄水文站和恰克馬克河恰其嘎水文站作為參證站，采用多種計算方法，對阿依嘎爾特河洪水特性、工程場址設(shè)計洪峰流量進(jìn)行了分析和計算。通過對阿依嘎爾特河洪水進(jìn)行研究，為河道治理工程提供了設(shè)計依據(jù)的同時，也對保證流域行洪安全起到了一定作用。