雅爾乃孜水庫設(shè)計(jì)洪水分析

肖 雄

（新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番水文勘測局,新疆 吐魯番 838000）

0 引言

雅爾乃孜水庫位于吐魯番市雅爾乃孜溝溝口上游0.8km處，1977 年11 月興建，設(shè)計(jì)庫容463×104m3，復(fù)核庫容為397×104m3，可灌溉田地3.6 萬畝。1983 年11 月完工，冬季開始蓄水，不久東壩肩出現(xiàn)漏水，1984 年2 月14 日在東壩肩處潰決，決口底寬約60 m，最大潰壩流量約200 m3/s，從大壩開始決口到水庫全部放空歷時(shí)僅4 h，壩段上游大部分產(chǎn)生了滑坡，滑坡壩段長約200 m。經(jīng)專家評(píng)定為三類壩，水庫大壩存在壩基滲漏與壩間滲漏，屬病險(xiǎn)水庫。為了除險(xiǎn)加固，需對(duì)水庫洪水進(jìn)行分析。

1 概況

雅爾乃孜溝是吐魯番盆地內(nèi)鹽山的一個(gè)缺口，是塔爾朗河尾溝，也是塔爾朗河洪水流向艾丁湖的唯一通道。塔爾朗河為雅爾乃孜水庫上游唯一水系，海拔高度為1145 m，冰川面積為5.68 km2，河道坡度54.6%，河長為50 km。塔爾朗河與雅爾乃孜溝區(qū)間積水面積為124 km2，區(qū)間不產(chǎn)流且無洪溝匯入。塔爾朗河流出山口后通過山前沖擊、洪積扇區(qū)，穿越蘭新鐵路后形成漫灘在312 國道下約2 km處水流集中沖刷成槽，進(jìn)入雅爾乃孜溝。溝內(nèi)交河古城周邊有兩條泉水溝，即馬哈溝和阿斯喀瓦克溝，其中馬哈溝泉水從交河古城城東流下，阿斯喀瓦克泉水從城西流下，兩股泉水在古城南端匯合，流向雅爾乃孜溝。

塔爾朗河1998 年5 月設(shè)有塔爾朗專用水文站，具有1998 年～2003 年實(shí)測資料,監(jiān)測項(xiàng)目有水位、流量，其中1998 年和2003 年監(jiān)測資料不全，其多年平均徑流量為0.7871×108m3。河流約70%以上的水量經(jīng)塔爾朗引水渠首引向下游工、農(nóng)業(yè)及居民相對(duì)較集中的灌區(qū)，而不足30%的水量為夏季洪水和冬閑水，隨渠道進(jìn)入干旱的礫質(zhì)平原區(qū)后，分散為多條支岔滲入地下，潛行14 km后在312 國道以南逐漸出露，匯集于距國道下游6 km處的雅爾乃孜（又名羊奶子溝）內(nèi)的攔溝水庫～雅爾乃孜水庫，通過天然河道流入雅爾乃孜水庫或者滲漏于河道當(dāng)中消耗殆盡。塔爾朗專用水文站，地處天山南坡塔爾朗河出山口，即吐魯番市桃兒溝村，集水面積467 km2，與建于1955 年11 月設(shè)立的的煤窯溝長系列水文站相鄰，集水面積481 km2，煤窯溝河與塔爾朗河同處于同一氣候區(qū)，出山口平行相距25 km，下墊面要素相似，同受大尺度天氣影響，徑流形成條件大致相同。

2 暴雨特性及歷史洪水分析

2.1 暴雨特性

塔爾朗河屬天山南坡山溪性河流，洪水多為暴雨所致，且多以局地性暴雨引發(fā)洪水為主。洪水具有突發(fā)性，短歷時(shí)，陡漲陡落等特點(diǎn)。流域暴雨有以下特點(diǎn)：①暴雨主要發(fā)生在汛期（6月～8月），占全年降水總量的80%左右。由山區(qū)向平原急劇遞減；②局地性暴雨歷時(shí)短（一般暴雨歷時(shí)不超過6 小時(shí)），陣性強(qiáng)，籠罩面積小，暴雨中心集中在高山區(qū)；③暴雨致災(zāi)性強(qiáng)。每次暴雨均給當(dāng)?shù)貛砭薮鬄?zāi)害。

2.2 歷史洪水調(diào)查及考證期確定

塔爾朗河缺乏歷史洪水調(diào)查資料，1988 年10 月對(duì)1987 年7 月的洪水進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查洪峰流量為325 m3/s。2005 年8 月發(fā)生的洪水，經(jīng)調(diào)查洪峰流量為313 m3/s。洪水調(diào)查河段在水管站下游（E89°04′27″～N43°12′37″）。從洪水調(diào)查訪問記錄和洪水調(diào)查資料分析，可以確定塔爾朗河流近20 年之內(nèi)發(fā)生的最大洪峰流量為1987 年，洪水排位第一，再次是2005 年排位第二，實(shí)測資料顯示2000 年發(fā)生最大洪峰流量為286 m3/s排位第三。

從調(diào)查洪水排序分析，經(jīng)考證1987 年最大洪峰流量為325 m3/s，為1987 年至今最大洪水，之前也有可能有大于1987 年的洪水，但目前還沒有找到可靠的依據(jù)，因此1987 年洪水洪水調(diào)查重現(xiàn)期為22 年。

3 洪水分析

3.1 水文資料

塔爾朗河設(shè)有塔爾朗專用水文站，監(jiān)測項(xiàng)目有水位、流量，共有6 年（1998 年5 月23 日-2003 年12 月）的實(shí)測資料（汛期站），汛期水位和流量均正常觀測，基本控制了洪水過程，全年測次不少于35 次，隨水位變化而增加測次，最多測次達(dá)70 次。流量分別在河道和渠道觀測整編后合并計(jì)算，其計(jì)算、整編方法符合規(guī)范要求。

該站除了有6 年實(shí)測洪水系列外，還有1987 年、2005 年洪水調(diào)查和2007 年水管站實(shí)測資料，共有9 年洪水資料；與塔爾朗河相鄰的煤窯溝水文站具有完整的47 年（1957年～1971 年，1976 年～2007 年）實(shí)測洪水系列；另有1987 年、2000 年、2005 年水管站和水文局實(shí)測或調(diào)查的上下游場次洪水資料。

3.2 參證站代表性分析

塔爾朗專用水文站只有1998年～2003年、2007年實(shí)測洪水系列和1987年、2005年洪水調(diào)查資料，資料比較短，無法按實(shí)測資料來計(jì)算洪水，為此選取周邊長系列的煤窯溝水文站作為參證站，做代表性分析，依據(jù)長系列站的資料對(duì)本站系列插補(bǔ)延長。

（1）洪峰、洪量長短系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)比分析

將煤窯溝站1976年～2007年洪峰、3 日洪量系列資料，按不同系列長度進(jìn)行均值和統(tǒng)計(jì)參數(shù)分段計(jì)算，當(dāng)系列長度在30 年以上時(shí)，洪峰流量、洪量均值、CV值較穩(wěn)定，說明樣本系列代表性好。

（2）洪峰、洪量模比系數(shù)差積曲線分析

煤窯溝站洪峰、洪量模比系數(shù)差積曲線形態(tài)相似，現(xiàn)以3日洪量模比系數(shù)差積曲線做分析。繪制煤窯溝站3 日洪量模比系數(shù)差積曲線圖1，從圖1 可知，煤窯溝站洪量系列有較完整的增減過程，洪量明顯出現(xiàn)幾次過程，自1976 年～1986 年為小洪水過程；1987 年～1990 年平緩過程；1991 年～1998 年明顯的大洪水過程；1999 年～2004 年平緩過程；2005 年～2007 年為明顯的遞增過程；32 年資料包含了大、中、小洪水年份。

圖1 煤窯溝站3日洪量模比系數(shù)差積曲線圖

（3）洪峰、洪量模比系數(shù)累積平均曲線分析

煤窯溝站洪峰流量系列與1日、3日、7日洪量系列模比系數(shù)累計(jì)平均過程線形態(tài)非常相似，僅以洪峰系列模比系數(shù)累計(jì)平均過程線為例加以分析。圖2 為煤窯溝站洪峰流量模比系數(shù)累計(jì)平均曲線圖，從圖2 可知，近三年2007年～2005 年出現(xiàn)陡漲陡落現(xiàn)象，以2005年開始逆時(shí)序，比較平緩和穩(wěn)定遞減趨勢，當(dāng)系列長度30 年時(shí)，洪峰流量模比系數(shù)趨近于1.0，漸趨穩(wěn)定。

圖2 煤窯溝站洪峰流量模比系數(shù)累積平均曲線圖

由以上煤窯溝站洪峰流量及3 日洪量代表性分析可知，當(dāng)樣本系列長度達(dá)30 年以上時(shí)，具有代表性。

3.3 塔爾朗水文站設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

由于塔爾朗水文站資料系列較短，因此采用以下三種方法進(jìn)行分析比較計(jì)算洪水。

3.3.1 相關(guān)法

經(jīng)過和相關(guān)洪水同步性分析，塔爾朗站與煤窯溝站洪峰流量相關(guān)尚好，其系數(shù)為R=0.7627。用參證站洪峰流量系列將塔爾朗站缺測年份洪峰流量插補(bǔ)展延到2006 年，用實(shí)測和插補(bǔ)展延后共21 年洪峰流量系列進(jìn)行頻率計(jì)算。

圖3 塔爾朗與煤窯溝站洪峰流量相關(guān)圖

圖4 塔爾朗水文站洪峰流量插補(bǔ)展延頻率曲線圖

3.3.2 洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法

選取處于同一氣候區(qū)內(nèi)具有較長實(shí)測洪水系列的水文站作為參證站，根據(jù)參證站實(shí)測年最大洪峰流量及歷史調(diào)查的洪水資料，采用“地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法”，推求調(diào)查斷面設(shè)計(jì)洪峰流量。

式中：QP為設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；Qd為調(diào)查歷史洪水洪峰流量；KP為設(shè)計(jì)洪峰流量模比系數(shù)； Kd為調(diào)查洪峰流量模比系數(shù)。

采用本氣候區(qū)內(nèi)具有較長實(shí)測洪水系列的各水文站的歷史調(diào)查洪水和實(shí)測洪峰系列樣本。

阿拉溝、煤窯溝、二塘溝、白楊河站實(shí)測洪水系列點(diǎn)繪在一起，由此繪制地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線，其統(tǒng)計(jì)參數(shù)CV=1.25，CS/CV=3.0。

采用洪水調(diào)查成果1987 年，重現(xiàn)期定為22 年，其相應(yīng)的模比系數(shù)為3.577。據(jù)此求得KP值及塔爾朗水文站不同設(shè)計(jì)頻率設(shè)計(jì)洪峰流量。

3.3.3 水文比擬法

與年徑流量所采用的水文比擬法一樣，直接移用煤窯溝站洪峰流量統(tǒng)計(jì)參數(shù)，CV=1.2，CS/CV=2.5，多年平均流量均值用水文比擬法計(jì)算而得，其計(jì)算公式：

圖5 吐魯番市洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線圖

式中：Q塔為塔爾朗站年平均洪峰流量；Q煤為煤窯溝站年平均洪峰流量，97.4 m3/s；F塔、F煤為塔爾朗和煤窯溝站集水面積，分別為467 km2、481 km2。

經(jīng)計(jì)算，塔爾朗站多年平均洪峰流量為94.6 m3/s。用同樣的方法可推算出塔爾朗站各保證率的設(shè)計(jì)洪峰流量值，其結(jié)果見表1。

表1 塔爾朗水文站洪峰流量設(shè)計(jì)成果表

3.3.4 方法分析論證

從上述三種方法分析來看，綜合頻率曲線法與水文比擬法結(jié)果比較相近。相關(guān)法采用9 年洪峰流量系列，煤窯溝站作為參證站，插補(bǔ)延長到21 年，即1987 年～2007 年展延11 年，展延年限超出規(guī)范要求；綜合頻率曲線法將同一水文分區(qū)內(nèi)氣候、地形條件基本相似的測站實(shí)測樣本作綜合分析，編制地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線，推求設(shè)計(jì)洪峰流量；由此可降低成果的抽樣誤差；水文比擬法經(jīng)分析參證站與塔爾朗河相鄰較近，下墊面因素相似，洪水相關(guān)和洪水同步性較好，因此采用煤窯溝站作為參證站，來推求塔爾朗洪水參數(shù)，其結(jié)果比較符合實(shí)際。經(jīng)安全考慮，最終采用洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線計(jì)算成果。

表2 塔爾朗水文站洪峰流量及各時(shí)段洪量設(shè)計(jì)值成果表

3.4 塔爾朗水文站洪量計(jì)算

塔爾朗水文站各時(shí)段洪量資料短缺，只有1998年～2003年6年各時(shí)段洪量資料，同樣采用相關(guān)法、地區(qū)綜合頻率曲線法和水文比擬法分析計(jì)算，比較后，偏于安全，推薦采用綜合頻率曲線法計(jì)算結(jié)果，計(jì)算過程從略，結(jié)果見表2。

表3 塔爾朗上下游河段洪水衰減率計(jì)算表

3.5 雅爾乃孜水庫入庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

雅爾乃孜水庫入庫設(shè)計(jì)洪水為上游塔爾朗水文站設(shè)計(jì)洪水流經(jīng)30.8 km，減去區(qū)間衰減最后剩余入庫的洪水。塔爾朗河流域缺乏洪水衰減試驗(yàn)資料。經(jīng)上下游洪水?dāng)嗝婧榉辶髁空{(diào)查成果（見表3），可計(jì)算出每千米平均衰減率在1.1%～1.8%之間，本次用每千米平均衰減率為1.5%來計(jì)算雅爾乃孜水庫設(shè)計(jì)洪水成果。

表4 雅爾乃孜水庫洪峰流量及各時(shí)段洪量設(shè)計(jì)成果表

4 結(jié)語

為了確保雅爾乃孜水庫除險(xiǎn)加固工作順利進(jìn)行，分析塔爾朗河洪水特性、沿程變化及入庫途徑，以煤窯溝水文站為參證站，采用水文比擬法、綜合頻率曲線法、相關(guān)法計(jì)算塔爾朗水文站設(shè)計(jì)洪水和洪量成果，經(jīng)比較，采用綜合頻率曲線法計(jì)算成果偏于安全。塔爾朗水文站至雅爾乃孜水庫30.8 km洪水沿途衰減規(guī)律，用每千米平均衰減率1.5%計(jì)算成果作為雅爾乃孜水庫設(shè)計(jì)洪水成果，其方法符合規(guī)范要求，其成果合理，可供水庫除險(xiǎn)加固進(jìn)行參考。