新疆烏蘇市四棵樹河河道防洪工程洪水分析計算

尹偉葉

（新疆維吾爾自治區(qū)塔城水文勘測局，新疆 塔城 834700）

1 工程概況

四棵樹河流域水利開發(fā)時間比較早。據(jù)烏蘇縣志記載，明末清初，準噶爾人曾在四棵樹河上游前山帶挖了一些簡易渠道，引水澆灌青稞和糜子。民國前后該流域內(nèi)又斷斷續(xù)續(xù)修建了一批引水灌溉設(shè)施，但總的來說，規(guī)模都比較小，發(fā)揮效益不大。

新中國成立初期的十多年內(nèi)，由于財政拮據(jù)，受技術(shù)水平的限制，水利建設(shè)起步緩慢，僅停留在修舊利廢的基礎(chǔ)上。由于四棵樹河無控制性的水利樞紐工程，洪水得不到有效控制，對流域內(nèi)水利工程設(shè)施和下游交通運輸、人民生命財產(chǎn)安全以及烏蘇市社會經(jīng)濟發(fā)展造成極大的破壞和潛在的威脅。

2 河流水系

四棵樹河為奎屯河最大支流，河流先由西南向東北流淌，在九巴勒貝勒其爾溝匯合口附近到吉勒德水文站，河流基本由南向北,流出吉勒德水文站后，河流改由東南向西北方向下泄。河流出山口后蜿蜒北下，穿過丘陵、洪積沖積平原，自然狀態(tài)下匯入奎屯河。

3 重點防洪河段

根據(jù)烏蘇市水利局和地區(qū)水利水電勘察設(shè)計院要求及前后兩次的實地踏勘，確定重點防洪河段有以下幾處：

（1）一級水電站引水龍口（石門）至吉勒德水文站。由于該地段降水較多，河網(wǎng)發(fā)育，河道支流交匯密集，但人煙稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱，預(yù)警預(yù)報工作不僅難度大，而且設(shè)備投入與維護所需資金缺口較大。長期以來，該地段山洪發(fā)生頻繁，由此引發(fā)的泥石流及山體滑坡時有發(fā)生，是重點防洪河段之一。

（2）察汗烏蘇溝匯合口至北疆鐵路大橋。這一河段上，由于引用水量逐年增加，通過河道的水量減少，挾沙能力降低，在公路大橋和鐵路大橋上下游長期大量淤積，現(xiàn)僅剩大橋拱圈部分過水，橋洞實際過水能力大大降低，致使高速公路和北疆鐵路兩條運輸大動脈安全暢通受到威脅。

（3）北疆鐵路至滾水壩之間。由于下游柳溝水庫引水渠的攔截，阻斷了水流自然狀態(tài)下的行洪通道，再加之此段河床拓寬數(shù)百米，水流速度平緩，大量泥沙沉積于此。使得防護堤壩內(nèi)河床明顯高出兩岸農(nóng)田、村鎮(zhèn)，位于兩岸的四棵樹鎮(zhèn)和哈圖布呼鎮(zhèn)每年都要投入大量的人力、物力和財力進行防洪搶險工作，不僅嚴重影響到他們的日常勞作和生活，還要蒙受洪水災(zāi)害帶來的巨大經(jīng)濟損失。

四棵樹河河道防洪工程的實施，將為流域內(nèi)7萬人口人民生命財產(chǎn)安全及灌區(qū)三十余萬畝的耕地灌溉提供水源保障，也為烏蘇市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟發(fā)展提供強有力的支持。

4 水文資料概況

由于四棵樹河流域范圍內(nèi)只有吉勒德一個水文站，為進行河道洪水分析及無資料干、洪溝設(shè)計洪水分析計算，除吉勒德水文站外，這次還收集了鄰近的同發(fā)源于天山北坡的精河、奎屯河、八音溝河、瑪納斯河、塔西河流域的精河山口水文站、將軍廟水文站、喇嘛廟水文站、肯斯瓦特水文站和石門子水文站洪水資料以及流域下游平原區(qū)烏蘇市氣象站的有關(guān)資料。

5 洪水系列分析

5.1 洪水系列一致性分析

就洪水系列而言，影響系列一致性的主要因素來自區(qū)間引水、分水、人類活動以及計算斷面上下遷移等。吉勒德站1959年5月斷面遷移距離較短，區(qū)間沒有引水、分水情況發(fā)生，也沒有較大支流匯入，人類大規(guī)模的開發(fā)利用活動較少，可以認為吉勒德水文站洪水資料系列一致性較好。

5.2 洪水系列可靠性分析

吉勒德站、將軍廟站、喇嘛廟站、精河山口站、肯斯瓦特站和石門子站均為國家基本水文站，數(shù)據(jù)采集、整編和刊印均執(zhí)行國家行業(yè)規(guī)范要求，資料可靠，精度較高。

5.3 洪水系列代表性分析

由于其它各站洪水資料系列相對偏短，對本流域吉勒德水文站64年洪峰流量系列代表性的分析，初步評價吉勒德站和其它各參站洪水資料系列的代表性。

點繪吉勒德水文站模比系數(shù)差積曲線，參見圖1。從圖中可以看出，整個系列包含有一個完整的大、小洪水年群（周期），經(jīng)歷了一個完整的降落段與漲升段，只是峰、谷出現(xiàn)時間有所不同。即1977年～1988年為大洪水年群，歷時12年，1989年～1997年為小洪水年群，歷時9年；其中還包含大、小洪水年組，1954年～1976年為小洪水年組，歷時23年，1998年～2018年為大洪水年組，洪水系列具有一定代表性。

圖1 吉勒德水文站洪峰流量模比系數(shù)差積曲線圖

6 設(shè)計洪水

根據(jù)本次防洪規(guī)劃工作要求，需要分別推算出各設(shè)計洪水計算斷面設(shè)計頻率為 0.1%、0.2%、0.33%、0.5%、1.0%、2.0%、3.33%、5.0%和10.0%的設(shè)計洪峰流量，作為規(guī)劃設(shè)計部門的設(shè)計依據(jù)。

根據(jù)四棵樹河各斷面所處位置情況，不同河段設(shè)計洪水分析計算的基本思路如下：

（1）首先計算吉勒德水文站斷面設(shè)計洪水，以吉勒德水文站斷面作為洪水計算起始斷面，推算各河段計算斷面設(shè)計洪峰流量。

（2）吉勒德水文站上游河段各洪水計算斷面設(shè)計洪峰流量的推求，采用洪峰模數(shù)法。

（3）對處于徑流散失區(qū)的計算斷面，由于洪水沿程不僅沒有區(qū)間水量匯入，相反，在沿程演進過程中不斷坦化、滲漏損失。對這幾處計算斷面設(shè)計洪水的推算，依據(jù)吉勒德站實測洪水資料和各計算斷面野外洪水調(diào)查資料，計算衰減率，推求出各計算斷面的設(shè)計洪水。

其中察汗烏蘇溝匯合口斷面設(shè)計洪峰流量計算采用最大值疊加法。

6.1 吉勒德水文站設(shè)計洪峰流量計算

根據(jù)四棵樹河流域唯一具有實測洪水資料的吉勒德水文站洪水系列，以及1982年塔城水文水資源勘測局對流域內(nèi)1945年8月發(fā)生的特大暴雨洪水調(diào)查值（350 m3/s）進行分析[1]，將1945年調(diào)查歷史洪水加入實測洪水系列中，重現(xiàn)期按T=63年不連序系列處理，頻率曲線選用P-Ⅲ型曲線，在適線時，主要考慮理論頻率曲線與經(jīng)驗點據(jù)擬合較好為原則，進行目估適線。

加入特大值后的不連序系列設(shè)計洪峰流量經(jīng)驗頻率按下式計算：

剔除特大值后的連序系列按下式計算經(jīng)驗頻率：

式中：P為設(shè)計頻率，%；M為特大值排序；N為特大值重現(xiàn)期；L為連序系列中特大值個數(shù)；a為特大值個數(shù)。

對于不連序系列，各階樣本矩及統(tǒng)計參數(shù)的計算公式為：

吉勒德水文站設(shè)計洪水統(tǒng)計參數(shù)及計算成果見表1，適線結(jié)果見圖2。

表1 吉勒德水文站設(shè)計洪峰流量成果表 單位：m3/s

圖2 吉勒德水文站洪峰流量頻率曲線圖

6.2 察汗烏蘇溝設(shè)計洪峰流量計算

察汗烏蘇溝位于吉勒德水文站下游13 km處的左岸，溝口以上集水面積130 km2，溝長24.5 km，河道縱坡降為60.3‰，其設(shè)計洪峰流量分析計算采用地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法。

對于缺少洪水資料的中小流域，利用鄰近流域洪水資料點繪地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線圖，推求設(shè)計流域設(shè)計洪水，是目前解決無資料地區(qū)設(shè)計洪水的一種有效方法。

在此，選取同一氣候分區(qū)內(nèi)的精河山口站、八音溝河喇嘛廟站、瑪納斯河肯斯瓦特站、塔西河石門子站及設(shè)計流域四棵樹河吉勒德站共五站實測洪峰流量資料，進行計算。

從地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線上可得到調(diào)查洪水及不同設(shè)計頻率洪峰流量模比系數(shù)，見表2、表3及圖3。

表2 地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)設(shè)計K值計算成果表

表3 察汗烏蘇溝斷面設(shè)計洪峰流量成果表 單位：m3/s

圖3 洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線圖

6.3 察汗烏蘇溝匯合口斷面設(shè)計洪峰流量計算

由于察汗烏蘇溝匯合口至吉勒德水文站區(qū)間沒有較大的支流匯入，所以，察汗烏蘇溝匯合口設(shè)計洪峰流量計算可以從以下方面考慮：將吉勒德站設(shè)計洪峰流量經(jīng)過衰減損失后到達察汗烏蘇溝匯合口，與察汗烏蘇溝設(shè)計洪峰流量進行疊加，即為所求的察汗烏蘇溝匯合口斷面設(shè)計洪峰流量值。其成果見表4。

根據(jù)以上洪水分析計算的基本思路與計算方法計算出四棵樹河河道防洪規(guī)劃各計算斷面設(shè)計洪峰流量計算成果匯總表，見表5。

表4 察汗烏蘇溝匯合口計算斷面不同頻率設(shè)計洪峰流量成果表 單位：m3/s

表5 四棵樹河各防洪計算斷面設(shè)計洪峰流量成果匯總表 單位：m3/s

7 結(jié)語

烏蘇市四棵樹河河道防洪洪水分析計算，根據(jù)防洪規(guī)劃工作大綱的要求，對各個防洪節(jié)點斷面的設(shè)計洪水，采用了不同的方法，根據(jù)本次防洪規(guī)劃工作要求，分別推算出各設(shè)計洪水計算斷面設(shè)計頻率為 0.1%、0.2%、0.33%、0.5%、1.0%、2.0%、3.33%、5.0%和10.0%的設(shè)計洪峰流量，作為規(guī)劃設(shè)計部門的設(shè)計依據(jù)。缺乏區(qū)域洪水及暴雨資料，給設(shè)計洪水的分析計算帶來了一定的難度。特別是暴雨洪水，無規(guī)律可循，隨機性很強，預(yù)測難度大。由于資料的局限性，使成果的精度受到一定的影響，因此，在防洪規(guī)劃實施中，對此類非工程措施應(yīng)給予足夠的重視，建議加強區(qū)域洪雨水資料的收集、監(jiān)測，提高防洪預(yù)警能力，保證城市經(jīng)濟的健康發(fā)展。