烏恰縣庫孜洪河洪水計算與分析

趙 亮

（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 流域概況

庫孜洪河全長81 km，流域總面積790 km2，是卡浪溝呂克河的主要支流之一。庫孜洪河流域地勢東南低，西北、西南高，河道以塔爾勒嘎山口為界，劃分為山地和沖積平原兩大部分，山口以上河段河谷縱坡降大，降水豐沛，為徑流形成區(qū)；出山口以下河道寬淺，縱坡平緩,為徑流散失區(qū)，最終匯入卡浪溝呂克河。庫孜洪河自西北向東南流經(jīng)烏恰縣，在烏恰縣境內(nèi)是典型的山區(qū)河段。

2 氣象與水文

庫孜洪河流域氣候因南北地形差異很大，可分為高山半濕潤寒溫帶和低山丘陵干旱中溫帶兩大氣候區(qū)，烏恰縣城主要體現(xiàn)為大陸性干旱山地氣候特征，氣候干燥，四季不分明，夏季溫涼短促，降水集中，冬季寒冷漫長，降水量為全年最小的季節(jié)。多年平均氣溫為7.5℃，多年平均年蒸發(fā)量為1599.7 mm，多年平均年降水量178.6 mm，降水多集中在夏季，通常以8月份降水量最大，最大一日降水量達(dá)121.6 mm，最大凍土深為1.5 m。

庫孜洪河流域地勢東南低，西北、西南高，流域以塔爾勒嘎山口為界，劃分為山地和沖積平原兩大基本地貌單元，其中山區(qū)面積為515 km2,平原區(qū)面積為275 km2。庫孜洪河山口以上，山勢陡峻，植被較少，河谷縱坡降大，降水豐沛，徑流主要由地下水和降水補給，為庫孜洪河徑流形成區(qū)。出山口以下為徑流散失區(qū)，并由北向南傾斜，河道寬淺，縱坡平緩，地表徑流被下游農(nóng)牧區(qū)引用，余水最終流入卡浪溝呂克河。流域無實測泥沙資料。

3 基本水文資料

3.1 水文測站與氣象站概況

庫孜洪河干流設(shè)有庫孜洪河專用水文站，庫孜洪河與烏瑞克河匯合口設(shè)有卡浪溝呂克水文站。2003年9月庫孜洪河擬建水庫壩址處設(shè)立庫孜洪河專用水文站，測流斷面以上河長58 km，集水面積515 km2?？ɡ藴蠀慰怂恼驹O(shè)立于1958年12月，為卡浪溝呂克河控制站、國家基本水文站。烏恰縣氣象站設(shè)立于1956年，并觀測至今。各測站及庫孜洪河流域位置見圖1。

圖1 烏恰縣城及庫孜洪河流域位置示意圖

3.2 基本資料

收集庫孜洪河專用水文站和卡浪溝呂克水文站的實測年徑流量和年最大洪峰流量資料，收集烏恰縣氣象站年最大一日降水量資料，庫孜洪河1999年大洪水調(diào)查資料。選用站資料項目及觀測年限見表1。

表1 站點選用資料一覽表

3.3 洪水資料“三性”分析

庫孜洪河專用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，因此通過卡浪溝呂克站洪水資料開展洪水系列分析。

3.3.1 可靠性分析

卡浪溝呂克站為國家基本水文站，水文測驗、數(shù)據(jù)采集和資料整編均執(zhí)行國家行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過測站初步整編、勘測局審查與自治區(qū)水文水資源局復(fù)審三層技術(shù)把關(guān)，資料可靠，精度較高。

3.3.2 一致性分析

卡浪溝呂克站設(shè)立至今不存在測驗斷面遷移情況，斷面以上有少量人類生產(chǎn)活動影響，流域產(chǎn)、匯流條件沒有發(fā)生較大改變；臨時性引水渠首少量的引水所占比重很小，可以不進(jìn)行水量還原。因此，卡浪溝呂克站洪水資料系列一致性較好。

3.3.3 代表性分析

卡浪溝呂克水文站55年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，大洪水年偏少，其累積平均過程線收斂于1而趨于穩(wěn)定，均值相對誤差在5.0%以內(nèi)，CV值相對誤差在±3.1%以內(nèi)。由此可知，卡浪溝呂克站1959年～2014年洪水資料系列包含了豐、枯年段，且其漲落過程比較完整，也存在較短的中小洪峰年群段，其累積平均過程線已開始收斂于1，統(tǒng)計參數(shù)相對誤差較小，因此代表性較好。

3.4 斷面選取

根據(jù)區(qū)域洪水災(zāi)害，本次防洪規(guī)劃采取“上截洪、中固堤、下利泄”的原則。規(guī)劃控制范圍為庫孜洪河下游引水工程至309省道公路橋以上。對防洪河段布設(shè)2處斷面（A1、A2）進(jìn)行洪水計算；在上游開普太希水利樞紐工程以下至防洪河段以上4 處斷面（B1、B2、B3、B4）進(jìn)行支流洪溝布設(shè)防洪計算；另外在各洪溝匯入庫孜洪河處設(shè)置1處斷面進(jìn)行計算，各斷面分布及位置關(guān)系見圖2。

圖2 水庫及干流、各支溝各斷面位置關(guān)系

4 洪水計算與分析

4.1 洪水成因

庫孜洪河為卡浪溝呂克河支流，其洪水成因與卡浪溝呂克河相近。造成洪水主要有冰雪消融和暴雨兩種原因。歷史上，卡浪溝呂克河曾于1967年5月26日發(fā)生消融型洪水，1999年7月28日發(fā)生暴雨型洪水，1966年8月17日發(fā)生混合型洪水，卡浪溝呂克水文站三場典型洪水過程線見圖3～圖5。其中消融洪水與氣溫呈正相關(guān)，發(fā)生時間集中在4月～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，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；暴雨洪水同降水密切相關(guān)，多發(fā)生在6月～9月，尤以7月、8月最多。暴雨洪水沖刷能力強，含沙量較大，易造成下游沿線經(jīng)濟損失。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；本區(qū)域混合型洪水是以暴雨為主要特征的混合型洪水，過程線沒有顯示出消融洪水的峰形特征，其前期為消融洪水，降雨后，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。可以看出對庫孜洪河洪水威脅較大的主要是暴雨洪水[1]。

圖3 1967年5月26日消融型洪水過程線

圖4 1999年7月28日暴雨型洪水過程線

圖5 1966年8月17日混合型洪水過程線

4.2 洪水傳播速度、時間分析

點繪庫孜洪河專用站斷面實測流量與相應(yīng)平均流速關(guān)系圖，見圖6，洪水自開普太希水庫出庫至309省道距離9.2 km，用流量與平均流速相關(guān)方程計算得出所需傳播時間，其結(jié)果見表2。

圖6 庫孜洪河專用站斷面流量與平均流速相關(guān)圖

表2 庫孜洪河不同量級洪峰傳播速度、傳播歷時表

4.3 設(shè)計洪水計算

4.3.1 歷史洪水調(diào)查

卡浪溝呂克河、庫孜洪河在歷史上發(fā)生過多次大洪水，最大的一次洪水發(fā)生于1999年，對本次洪水進(jìn)行了調(diào)查，選庫孜洪河A1、B1-B4斷面進(jìn)行測量，各斷面水力因素及洪水調(diào)查成果見表 3[2]。

表3 庫孜洪河歷史洪水調(diào)查成果

4.3.2 支溝計算斷面設(shè)計洪水

由于庫孜洪河無任何洪水資料，分別采用推理公式法、地區(qū)洪峰模比系數(shù)綜合頻率曲線法和模數(shù)法推算設(shè)計洪水并進(jìn)行分析比較，最終得出較為準(zhǔn)確可靠的設(shè)計洪水成果。

①推理公式法

根據(jù)參證站烏恰縣氣象1956年～2014年實測一日最大降雨資料得出的降水量頻率曲線情況，采用下式計算。

式中：QMP為設(shè)計洪峰流量，m3/s；Sp為設(shè)計雨力，mm/h；τ為流域匯流歷時，h；α為洪峰徑流系數(shù)；F為流域面積，km2；0.278為單位換算系數(shù)。

計算成果見表4。

表4 推理公式法推求山洪溝設(shè)計洪峰流量計算成果表

②地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法

采用干流卡浪溝呂克河卡浪溝呂克站及臨近測站數(shù)據(jù)建立洪峰流量模比系數(shù)系列，繪制洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線，按下式推求工程場址斷面所需的設(shè)計頻率的洪峰流量值。

式中：Qp為設(shè)計洪峰流量，m3/s；Kp為頻率為P的洪峰流量模比系數(shù)；Qd為調(diào)查歷史洪水洪峰流量；Kd為調(diào)查洪水洪峰流量模比系數(shù)。

經(jīng)計算，得庫孜洪河開普太希水庫下游左右岸洪溝設(shè)計洪峰流量成果見表5。

表5 地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法洪水計算成果表流量 單位：m3/s

③模數(shù)法

模數(shù)法是直接移用與本流域具有相同氣候因子影響和下墊面相似流域的洪峰、洪量模數(shù)推求工程場址設(shè)計洪水。本次選用庫孜洪河下游卡浪溝呂克站設(shè)計洪峰、洪量模數(shù)估算入庫設(shè)計洪水。按下式計算：

式中：QGP為入庫設(shè)計洪峰流量，m3/s，m3，MCP為參證站設(shè)計洪峰流量模數(shù)，m3/（s·km2）；fG為入庫地面以上集水面積，km2。

設(shè)計洪水計算成果見表6。

表6 開普太希水庫下游左右岸斷面洪水計算成果表

根據(jù)上述三種方法計算結(jié)果，可以得知，模數(shù)法得到的結(jié)果偏大過多，不予采納，推理公式法和地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法得到的結(jié)果較為相近，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗和歷史洪水校核，選取地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法成果。

4.3.3 庫孜洪河段計算斷面設(shè)計洪水

開普太希下游除左右岸4條洪溝外，無其他洪水匯入庫孜洪河，且防洪河段與開普太希下游左右岸洪溝匯入段距離較短，積水面積變化不大，因此該河段不計算洪水損失率，認(rèn)為防洪河段洪水即為開普太希水庫出庫流量與左右岸4條洪溝流量之和。根據(jù)開普太希水庫調(diào)度運行方案，庫孜洪河兩計算斷面設(shè)計洪水成果[3]見表7。

表7 庫孜洪河防洪河段計算斷面設(shè)計洪水成果 單位：m3/s

4.3.4 施工期洪水

采用洪峰、洪量模數(shù)法計算庫孜洪河左岸防洪工程斷面施工期設(shè)計洪峰流量、設(shè)計洪量。根據(jù)庫孜洪河左岸防洪工程工程場址集水面積536 km2，與卡浪溝呂克站集水面積1954 km2之比再乘以卡浪溝呂克站施工期設(shè)計洪峰、設(shè)計洪量成果求得庫孜洪河工程場址斷面施工期設(shè)計洪峰流量、設(shè)計洪量，計算公式為：

式中：F設(shè)為設(shè)計流域集水面積，km2；F參為參證站流域集水面積，km2；q設(shè)為設(shè)計流域洪峰洪量，105m3；q參為參證流域洪峰洪量，105m3。

根據(jù)計算，出庫孜洪河工程場址斷面施工期設(shè)計洪峰流量、設(shè)計洪量見表8。

表8 施工期設(shè)計洪水計算成果表

根據(jù)曼寧公式，計算得到各斷面不同水位級下的相應(yīng)流量，各斷面的水位—流量關(guān)系見圖7～圖9。

圖7 洪溝洪水匯合處斷面水位-流量關(guān)系曲線圖

圖8 A1斷面水位-流量關(guān)系曲線圖

圖9 A2斷面水位-流量關(guān)系曲線圖

4.3.5 設(shè)計洪水位

通過各斷面設(shè)計洪峰流量，根據(jù)曼寧公式，在相應(yīng)斷面水位流量關(guān)系曲線上，反推得出設(shè)計的50年、30年、20年和10年一遇的洪峰流量對應(yīng)的設(shè)計洪水位，見表9。

表9 烏恰縣防洪規(guī)劃各計算斷面設(shè)計洪水位成果表

5 結(jié)語

本文通過選取庫孜洪河專用水文站、卡浪溝呂克水文站和烏恰縣氣象站作為參證站，采用推理公式法、地區(qū)洪峰模比系數(shù)綜合頻率曲線法和模數(shù)法對支溝設(shè)計洪水進(jìn)行計算，通過比較，選取地區(qū)洪峰模比系數(shù)綜合頻率曲線法的計算成果。根據(jù)開普太希水庫出口流量累加，得到庫孜洪河干流計算斷面設(shè)計洪水，并根據(jù)推算出的水位-流量關(guān)系得出設(shè)計洪水位。該計算成果可對工程的設(shè)計施工進(jìn)行參考。