呼圖壁縣雀兒溝河洪水計算與分析

馬振偉

（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 概況

雀兒溝河，又稱圖古里克河，位于天山西段新疆呼圖壁縣境內(nèi)。雀兒溝河發(fā)源于天山北坡特力斯喀達(dá)坂，源流接納支流西溝后，以下河段始稱雀兒溝河。雀兒溝河?xùn)|溝、西溝兩條支流在出山口以上被紅山水庫攔蓄。紅山水庫以上河長47km，集水面積861km2，多年平均徑流量0.3245×108m3[1]。雀兒溝河出紅山水庫后穿越鐵路，在呼-克公路分流，各支流在新湖六場干渠匯入主流后流入鷹湖水庫，出鷹湖水庫后流入沙漠。

2 氣象

根據(jù)呼圖壁縣氣象站資料，最低、最高月平均氣溫分別為-16.7℃、25.6℃，最大月降水量為22.6mm，出現(xiàn)在5 月，全年降水量174.9mm，主要集中在4 月—7 月，全年蒸發(fā)量2182.7mm，全年最大平均風(fēng)速4.0m/s，是典型的沙漠干旱氣候。

3 水文

項(xiàng)目區(qū)段洪水主要由鷹湖水庫下泄洪水構(gòu)成。鷹湖水庫接納上游雀兒溝河、呼圖壁河、梧桐溝入庫洪水，來水情況相對復(fù)雜。因此本次首先計算各河流天然狀態(tài)下的設(shè)計洪水，以確定鷹湖水庫入庫洪水，再將鷹湖水庫調(diào)洪成果推演至本項(xiàng)目區(qū)段。

3.1 水文站網(wǎng)

項(xiàng)目區(qū)水文資料相對短缺，本次選取鄰近石門站1977 年—2010 年、肯斯瓦特站1955 年—2010 年、芨芨壩水管站1970 年—2010 年洪峰流量資料。上述水文參證站自未發(fā)生過測驗(yàn)斷面的遷移、控制斷面以上無大規(guī)模區(qū)間引分水，人類活動影響相對較小，且已編入國家水文年鑒和國家水文數(shù)據(jù)庫，洪水資料可靠，一致性較好。

3.2 歷史洪水調(diào)查

雀兒溝河、梧桐溝于2001 年8 月29 日發(fā)生暴雨洪水，通過采用水面-比降法計算洪峰流量，合理選定河床糙率，確定雀兒溝河“8.29”洪水洪峰流量為719m3/s，梧桐溝“8.29”洪水洪峰流量為247m3/s，重現(xiàn)期為55 年。2011 年3 月30 日，梧桐溝發(fā)生融雪洪水，經(jīng)洪痕調(diào)查，確定梧桐溝“3.30”融雪洪水洪峰流量為94.6m3/s。呼圖壁河無歷史洪水。

3.3 各入庫河流設(shè)計洪水計算

（1）呼圖壁河。呼圖壁河洪水由大海子水庫調(diào)洪后洪水組成[2]。本次采用兩水文站實(shí)測數(shù)據(jù)計算后與水庫下泄洪水計算比對。石門站設(shè)計洪水，采用石門站1977—2010 年最大洪峰系列和芨芨壩水管站1970 年至今洪峰流量資料，進(jìn)行頻率計算，采用P-Ⅲ型曲線適線[3]。采用矩法估算Cv、Cs 值，并根據(jù)適線結(jié)果調(diào)整，得石門站洪峰頻率曲線圖如圖1 所示，芨芨壩水管站洪峰頻率曲線如圖2 所示。石門站、芨芨壩水管站和大海子水庫設(shè)計洪峰成果如表1 所示。

圖1 石門水文站洪峰流量頻率曲線

表1 呼圖壁河設(shè)計洪峰成果表

經(jīng)對比，芨芨壩水管站設(shè)計洪水與大海子水庫調(diào)洪洪水較為接近，可信度高，出于安全角度考慮，本次研究采用大海子水庫調(diào)洪洪水成果。

圖2 芨芨壩水管站洪峰頻率曲線圖

（2）雀兒溝河。因雀兒溝河缺少實(shí)測洪水資料，本次采用兩種方法推算并對比雀兒溝河計算洪水。①模比系數(shù)綜合頻率曲線法。選取石門站、石門子站、肯斯瓦特站作為參證站，分別計算各參證站洪峰流量系列的模比系數(shù)，對各參證站洪峰流量模比系數(shù)進(jìn)行頻率計算，采用P-Ⅲ型曲線適線，得到地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線如圖3 所示，地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線計算成果如表2 所示。

圖3 地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線圖

表2 模比系數(shù)綜合頻率曲線設(shè)計洪水成果表

②調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)單位線法。根據(jù)石門站一日最大降水資料，經(jīng)過頻率計算，推算出石門站最大一日降水成果如表3 所示。

表3 石門站一日最大降水成果表

根據(jù)該區(qū)域逐時典型雨量分配過程，疊加計算出地面產(chǎn)流洪水過程，其最大值即設(shè)計洪峰流量，成果見表4。

表4 調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)單位線法設(shè)計洪峰成果表

經(jīng)對比，按照偏安全原則，采用地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線成果。

（3）梧桐溝。同雀兒溝河計算方法，得到梧桐溝設(shè)計洪水成果表如表5 所示。

表5 梧桐溝設(shè)計洪水成果表

經(jīng)比較，采用地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線成果。

3.4 鷹湖水庫調(diào)洪計算

（1）上游洪水沿程變化。洪水單位長度沿程相對變率計算公式如下：

式中：Q1為上游斷面洪峰流量，m3/s；Q2為下游斷面洪峰流量，m3/s；Di為上、下游斷面洪峰流量差值，m3/s；Ki為年徑流量單位長度沿程相對變率，%；Lsx為上、下游斷面之間的距離，km。

經(jīng)計算，雀兒溝河洪水單位長度沿程相對變化率為-1.51%，梧桐溝洪水單位長度沿程相對變化率為-1.37%，呼圖壁河洪水沿程變化率為-1.06%。沿程變化后，各河洪水成果如表6 所示。

表6 各河沿程變化洪水成果表

（2）入鷹湖水庫洪水成果。鷹湖水庫入庫洪水主要由呼圖壁河、雀兒溝河、梧桐溝洪水構(gòu)成。其中呼圖壁河洪水主要為暴雨與融雪組成的混合型洪水；雀兒溝河、梧桐溝洪水為單一構(gòu)成的暴雨洪水。洪水類型及成因不同，且主要暴雨區(qū)海拔高程也不一樣，由于山區(qū)降水的垂直地帶性和局地性差異，各河同時發(fā)生災(zāi)害性暴雨洪水的概率極小，且各條河流上游均建有控制型水庫，因此可不考慮洪水疊加，取河流設(shè)計洪水較大者作為最終成果。考慮雀兒溝河洪水在甘莫公路處分洪5m3/s 至大海子水庫泄洪道，故疊加至呼圖壁河，將其作為鷹湖水庫入庫洪水成果。

（3）鷹湖水庫下泄洪水。根據(jù)鷹湖水庫設(shè)計指標(biāo)和調(diào)洪運(yùn)行原則，起調(diào)水位為389.3m，校核洪水位為390.61m，設(shè)計下泄流量為41.7m3/s，校核下泄流量為104.5m3/s。鷹湖水庫庫容曲線圖如圖4 所示，入庫、調(diào)洪出庫演算成果如表7 所示。

圖4 鷹湖水庫庫容曲線圖

表7 鷹湖水庫入庫、調(diào)洪出庫演算成果表

3.5 工程場址設(shè)計洪水

按洪水沿程變化將鷹湖水庫出庫洪水成果推演至各工程場址節(jié)點(diǎn)，計算公式為：

式中：Qi為各計算節(jié)點(diǎn)設(shè)計洪峰流量，m3/s；Q2為基本計算節(jié)點(diǎn)設(shè)計洪峰流量，m3/s；Ki 為洪峰流量單位長度沿程相對變率，%；Lsx為各防護(hù)計算節(jié)點(diǎn)距基本計算節(jié)點(diǎn)的距離，km。

其中樁號13+240 以下增加來自渠道的分洪流量5m3/s，成果如圖5 所示。

圖5 工程場址節(jié)點(diǎn)設(shè)計洪水

3.6 設(shè)計洪水位

對約27km 長的項(xiàng)目區(qū)河段進(jìn)行斷面測量，斷面間距約3km，實(shí)測河道大斷面10 個；各斷面糙率根據(jù)工況不同取0.027～0.058；河段平均比降在0.00025～0.0009。根據(jù)伯努利能量方程，計算河段水面線，得到設(shè)計洪水位。

確定起始斷面的水位-流量關(guān)系，根據(jù)測量所得斷面，以最下游一個斷面做為起始斷面，根據(jù)設(shè)計頻率對應(yīng)流量，推算出沿程河段各斷面水位。設(shè)計洪水水面線成果如圖6 所示。

圖6 治理河段設(shè)計洪水水面線圖

得到計算結(jié)果后，采用單斷面比降法計算各斷面水位流量關(guān)系，并與能量方程計算得出水面線進(jìn)行比對，兩種計算方式得到結(jié)果差異很小，可以采納上述成果。

3.7 河勢分析

雀兒溝河擬治理河段基本為季節(jié)性河溝，尚無可成熟的定量分析方法，因此只進(jìn)行定性分析。河段處河溝下游段，地形相對平緩，起伏不大，整體地勢呈東南向西北傾斜，河道兩岸土壤鹽漬化現(xiàn)象較嚴(yán)重，河床主要由中粗砂、粉土和粉質(zhì)粘土組成，顆粒自上游至下游逐漸變細(xì)。河勢極不穩(wěn)定，易受沖刷，尤其是河溝蜿蜒段側(cè)向侵蝕突出。

4 結(jié)束語

文章以石門站、石門子站、肯斯瓦特站作為參證站，采用模比系數(shù)綜合頻率曲線法、調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)單位線法等多種方法對鷹湖水庫各入庫河流設(shè)計洪水進(jìn)行計算，并對比驗(yàn)證；通過考慮沿程變化和水庫運(yùn)行等各方面因素，得出各頻率下鷹湖水庫下泄洪水的計算成果；根據(jù)能量方程，結(jié)合實(shí)測斷面資料，計算得出了雀兒溝河項(xiàng)目區(qū)段設(shè)計洪水成果。通過對雀兒溝河洪水進(jìn)行計算和分析，為河道治理工程提供了設(shè)計依據(jù)的同時，也為水庫運(yùn)行和下游防洪安全起到了一定的指導(dǎo)作用。結(jié)合工程建成后數(shù)年間的管理運(yùn)行，該計算與分析的成果是可靠的。