扎勒木特溝渠首分期洪水計算分析

洪昕妍

（博爾塔拉水文勘測局，新疆 博樂 833400）

1 概述

溫泉縣位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，博爾塔拉河上游河谷地帶，地勢為南、西、北三面環(huán)山，山地與丘陵占70.5%。唯一的一條河流是博爾塔拉河，河流流向大致為自北向南流。扎勒木特溝是博爾塔拉河北岸的一級小支流。流域地處溫泉縣西北部，南至博爾塔拉河中上游段。地表水資源量為9.28 億m3，平原區(qū)地下水補(bǔ)給量為3.4 億m3。扎勒木特溝最高海拔1981 m，在出山口以上集水面積76.1 km2，河長18.9 km[1]。扎勒木特溝平常無水，夏季多暴雨洪水。當(dāng)?shù)厝罕姴捎猛笼埧诩巴燎M(jìn)行引水灌溉，灌溉面積約1000 畝。

工程場址附近有溫泉縣氣象站，設(shè)立于1956 年11 月，觀測項(xiàng)目有降水、蒸發(fā)、風(fēng)速、氣溫、氣壓、濕度等，資料自設(shè)站連續(xù)觀測至今，已收集了多年的降水、蒸發(fā)、氣溫等各項(xiàng)氣象資料。研究地區(qū)氣候干燥、少雨，根據(jù)溫泉?dú)庀笳举Y料，年平均氣溫3.9℃，極端最高氣溫37.2℃，最低氣溫-39.7℃，多年平均降水量231.9 mm，而多年平均蒸發(fā)量為730.86 mm。

眾所周知，河流洪水（流量）隨季節(jié)、時間變化而變化不同，形成洪水的原因不同，產(chǎn)生的洪水量級也不同。計算分期設(shè)計洪水在水庫調(diào)度運(yùn)用、水利工程施工期防洪設(shè)計中極其重要。為了工程能順利施工，考慮到工程施工導(dǎo)流的要求，故進(jìn)行分期洪水計算。根據(jù)設(shè)計要求，扎勒木特溝渠首樞紐工程為四等工程，施工期采用明渠導(dǎo)流及土石圍堰渡汛。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-94），臨時性建筑物為5 級工程，施工期設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 年～20 年一遇。

2 水文資料分析

根據(jù)鄰近博爾塔拉河溫泉水文站、精河山口水文站和大河沿子河沙爾托海水文站、阿合奇水文站等河流水文站系列資料分析，扎勒木特溝每年的3 月～4 月為春旱期，5 月～8 月受氣溫等熱量情勢影響，山區(qū)積雪融化形成洪水，一般9 月河流即進(jìn)入平枯水期。徑流主要由泉水和降水補(bǔ)給，11 月～翌年3 月河流進(jìn)入冰期，徑流靠山區(qū)泉水補(bǔ)給。歷年來扎勒木特溝河道來水受洪水影響均較大。

3 分期設(shè)計洪水計算

3.1 洪水分期的劃分

現(xiàn)行分期設(shè)計洪水模式是在分析流域洪水季節(jié)性規(guī)律的基礎(chǔ)上，按照設(shè)計和管理要求，把整個汛期劃分為若干個分期，然后在分期的相應(yīng)時段內(nèi)按照一定的選樣方法選出洪水樣本，再進(jìn)行頻率分析，進(jìn)而推求滿足設(shè)計頻率的分期設(shè)計洪水[2]。

分期洪水確定的目的：選擇最優(yōu)施工階段，降低工程造價，確保工程施工安全順利。分期洪水的起迄時間，根據(jù)流域洪水的季節(jié)性變化規(guī)律而定。洪水分期的劃分，既要考慮工程運(yùn)用的要求，又要使分期基本符合洪水的季節(jié)性變化及成因特點(diǎn)[3]。分期洪水的選樣，一般是在規(guī)定時段內(nèi)按年最大值法進(jìn)行選擇[4]。根據(jù)扎勒木特溝洪水成因類型及各類洪水發(fā)生的月份，年最大洪峰出現(xiàn)的季節(jié)及年內(nèi)不同期洪水量級的變化，并根據(jù)扎勒木特溝渠首工程工作大綱的技術(shù)要求，除每年的5 月～8 月汛期外，選取3 月～4 月、9 月～10 月時段年最大洪峰流量和時段洪量進(jìn)行統(tǒng)計和分析計算。

3.2 參證站的選擇

在無資料與少資料地區(qū)進(jìn)行水文計算時，需要選擇資料系列長、資料較為完整的水文站作為參證站[5]。本地區(qū)現(xiàn)有溫泉水文站、精河山口水文站等5 個水文站。精河山口水文站、沙爾托海水文站距離扎勒木特溝較遠(yuǎn)，且冰川融水比例較高，不宜作為參證站；博樂水文站受人為影響很大，不宜作為參證站。故本次計算選用溫泉水文站和阿合奇水文站作為扎勒木特溝徑流分析計算的參證站，對參證站進(jìn)行水文資料的“三性”分析。

（1）可靠性分析

選用的參證站由新疆自治區(qū)水利廳設(shè)立，為國家基本水文站，其水文測驗(yàn)規(guī)范，觀測項(xiàng)目較齊全。所有的水文測驗(yàn)和觀測及數(shù)據(jù)整編均符合國家行業(yè)技術(shù)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)和要求，經(jīng)復(fù)核各參證站水文數(shù)據(jù)無明顯錯誤，數(shù)據(jù)成果可靠，完全可以滿足水文分析計算的要求。

（2）一致性分析

溫泉水文站1959 年5 月建站觀測至今，斷面觀測徑流量沒有控制安格里克渠流量，對溫泉水文站月年徑流量系列造成了影響，為此須對其月、年徑流系列進(jìn)行還原處理，方可進(jìn)行計算。阿合奇水文站流量資料年限為1961 年5 月～1966 年9 月、1979 年～1993 年，1994 年～2016 年 5 月～9 月。為了達(dá)到規(guī)范要求，需要對阿合奇水文站資料進(jìn)行復(fù)核和訂正。訂正后得到2009 年～2016 年的徑流量變化與鄰近流域基本一致。

（3）代表性分析

以溫泉水文站為進(jìn)行分析，從圖1 可見：從2016 年倒推至1993 年時，其模比系數(shù)均值趨于穩(wěn)定，隨著時間的增長，變幅逐漸減小，均值趨于穩(wěn)定，可見系列均值有較好的代表性。

圖1 溫泉站年徑流模比系數(shù)累積平均曲線

3.3 分期設(shè)計洪水的計算

3.3.1 參證站分期設(shè)計洪峰流量

（1）溫泉水文站

在我國，20 世紀(jì)60 年以來，通過對我國洪水極值資料的驗(yàn)證，認(rèn)為P-Ⅲ型能較好擬合我國大多數(shù)河流的洪水系列。此后，我國洪水頻率分析一直采用P-Ⅲ型曲線[6]。同時在洪水頻率曲線參數(shù)估計方法中，我國規(guī)范統(tǒng)一規(guī)定采用適線法。根據(jù)統(tǒng)計的溫泉水文站分期洪峰流量系列資料，采用P-Ⅲ型頻率曲線進(jìn)行適線，溫泉水文站3 月～4 月洪峰流量頻率曲線見圖2，溫泉水文站9 月～10 月洪峰流量頻率曲線見圖3，由頻率曲線推算出不同頻率設(shè)計洪峰流量值見表1。

表1 溫泉水文站各種頻率分期洪水計算表 單位：m3/s

圖3 溫泉水文站9 月～10 月洪峰流量頻率曲線

圖2 溫泉水文站3 月～4 月洪峰流量頻率曲線

（2）阿合奇水文站

對現(xiàn)有實(shí)測資料但資料系列太短，或者即使系列資料較長但與周邊參證站相關(guān)系數(shù)太低的河流流域，可以根據(jù)周邊水文資料較好而且具有代表性的長系列參證站，用其同時期長短系列的比值修正，推求阿合奇水文站長系列均值。

統(tǒng)計阿合奇水文站 1961 年 ～1966 年、1979 年 ～1993 年分期3 月～4 月及9 月～10 月的洪峰流量長系列資料，統(tǒng)計其短系列多年年徑流量平均值（3 月～4 月為 4.15 m3/s、9 月～10 月為 9.57 m3/s）；此外，統(tǒng)計溫泉水文站 1961 年 ～1966 年、1979 年 ～1993 年短系列年徑流量均值（3 月～4 月為 11.9 m3/s、9 月～10 月為 10.9 m3/s），其長系列 1960 年 ～2016 年 57 a 的 3 月～4 月及 9 月～10 月洪峰流量均值：3 月～4 月為 11.1 m3/s、9月～10 月為11.3 m3/s。采用長、短系列比值修正（訂正）法推求阿合奇水文站多年平均3 月～4 月及9 月～10 月洪峰流量，其計算式為：

式中：W設(shè)長為阿合奇站修正后多年平均3 月～4 月及9 月～10 月洪峰流量；W參長為參證站溫泉站長系列3 月～4 月及9 月～10 月洪峰流量；W參短為參證站溫泉站3 月～4 月及9 月～10 月洪峰流量；W設(shè)短為阿合奇站短系列3 月～4 月及9 月～10 月洪峰流量。

由上述公式推算出修正后的阿合奇水文站多年平均3 月～4 月洪峰流量為 3.87 m3/s，9 月～10 月洪峰流量為 9.92 m3/s。

根據(jù)阿合奇水文站3 月～4 月及9 月～10 月多年平均洪峰流量，借用參證站溫泉水文站年徑流系列統(tǒng)計參數(shù)變差系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)，即：

變差系數(shù)值 CV：3 月～4 月取 0.78、9 月～10 月取 0.45；

偏態(tài)系數(shù)值CS：均取CV值的6 倍。

計算阿合奇水文站不同保證率下的3 月～4 月及9 月～10 月設(shè)計洪峰流量，成果見表2。

表2 阿合奇水文站各種頻率分期洪水計算表 單位：m3/s

3.3.2 扎勒木特溝渠首分期設(shè)計洪峰流量

扎勒木特溝渠首分期洪水汛期設(shè)計洪水以5 月～8 月為主，采用年最大洪峰流量對其進(jìn)行成果計算。3 月～4 月份、9 月～10 月份設(shè)計洪峰流量計算采用洪峰流量面積指數(shù)法分別進(jìn)行分析計算。

以溫泉水文站和阿合奇水文站為參證站，以各參證站分期設(shè)計洪峰流量數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)洪峰流量面積指數(shù)法，計算得到扎勒木特溝渠首3 月～4 月、9 月～10 月設(shè)計洪峰流量。

扎勒木特溝集水面積為76.1 km2，參證站溫泉水文站和阿合奇水文站集水面積分別為2206 km2和938 km2，根據(jù)計算公式：

式中：Q設(shè)、Q參為設(shè)計斷面和參證站的設(shè)計洪峰流量，m3/s；F設(shè)、F參為設(shè)計斷面和參證站的集水面積，km2。

由以上公式即可得到不同頻率下的設(shè)計洪峰洪量成果，見表3。

表3 扎勒木特溝渠首各種頻率分期洪水計算表 單位：m3/s

由表4 知，以溫泉水文站為參證站進(jìn)行計算的不同頻率洪峰流量值，3 月～4 月的計算值均大于9 月～10 月。而以阿合奇水文站為參證站計算出的不同頻率洪峰流量值，3月～4 月的計算值均小于9 月～10 月。這與扎勒木特溝現(xiàn)有水文資料所形成的規(guī)律一致，以阿合奇水文站為參證站計算所得數(shù)據(jù)更貼合實(shí)際，故本文選擇以阿合奇水文站為參證站進(jìn)行計算的結(jié)果。利用洪峰流量面積指數(shù)法計算的扎勒木特溝渠首水庫工程3 月～4 月、9 月～10 月設(shè)計洪峰流量成果見表4。

表4 扎勒木特溝渠首各種頻率分期洪水推薦成果表 單位：m3/s

4 結(jié)論

為滿足設(shè)計要求，根據(jù)現(xiàn)有扎勒木特溝渠首水庫工程的相關(guān)洪水資料，分別以溫泉水文站和阿合奇水文站作為參證站，采用洪峰流量面積指數(shù)法計算不同頻率下的分期洪水洪峰流量值。通過兩個參證站的計算結(jié)果對比分析，最終采用以阿合奇水文站為參證站計算所得的結(jié)果作為扎勒木特溝渠首水庫工程分期洪水計算的結(jié)果，滿足設(shè)計要求。

計算分期洪水對水庫運(yùn)行調(diào)度、水利工程實(shí)施等項(xiàng)目具有重要意義。本文根據(jù)相關(guān)資料進(jìn)行詳細(xì)且嚴(yán)格的計算，為工程下一步實(shí)施提供可靠的依據(jù)。