吉木薩爾縣小龍口水庫工程設(shè)計洪水計算

呂小愚

(新疆昌吉水文勘測局，新疆 昌吉 831100)

小龍口河位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州吉木薩爾縣境內(nèi)，小龍口水庫于2016年5月開工建設(shè)，是一座農(nóng)業(yè)供水，生態(tài)綠化，東西沙河景觀帶供水等綜合開發(fā)任務(wù)的小型水利樞紐工程，工程等級為4等，主要建筑物級別4級，次要建筑物及臨時建筑物級別5級。小龍口水庫下游即吉木薩爾縣縣城，因此其設(shè)計洪水的計算尤為重要，水庫設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為1 000 a一遇。

小龍口河是一條以泉水補給為主的河流，上游段稱為渭戶溝，發(fā)源于博格達山海拔4 049.6 m的冰峰，有冰川3條，冰川面積1.01 km2，流經(jīng)高中山帶，進入泉子街盆地后，呈多股散流，在小龍口處匯合另一股支流，經(jīng)縣城西側(cè)、西場湖、小場湖、下興湖，終于六十戶一帶。小龍口河出山口后也稱西沙河。

1 水利工程

小龍口河上建有渭戶溝渠首和小龍口河渠首。渭戶溝渠首位于河流出山口附近，始建于1983年，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)89°01″，北緯43°46′，海拔高程1 767 m，渠首以上集水面積60 km2，渠首左岸有引水干渠一條，設(shè)計流量4.0 m3/s，1987年7月發(fā)生洪水，渠首閘門被沖壞，攔水堰和引水干渠被沖毀；小龍口河渠首地理坐標(biāo)為：東經(jīng)89°08′，北緯43°57′，渠首以上河長35.9 km，總集水面積227 km2。

小龍口水庫壩址位于小龍口渠首上游1 km，地理坐標(biāo)為東經(jīng)89°08′，北緯43°56′，斷面河底高程898 m，斷面以上河長34.9 km，斷面以上總集水面積224.3 km2，壩址斷面與小龍口渠首區(qū)間集水面積為2.7 km2。

2 資料情況

本次收集到小龍口渠首1993-2013共21年水管觀測資料，渠首處沒有測驗斷面及量水建筑物，下游引水量為實測數(shù)據(jù)，來水量根據(jù)引水量及現(xiàn)場水利人員目估得到，觀測次數(shù)視具體情況而定，日平均流量根據(jù)觀測次數(shù)平均而得。目估法會導(dǎo)致估算的河道來水量偏小，存在較為嚴(yán)重的漏測、少測情況，尤其對于洪水期，渠首處既缺少測驗設(shè)施，也達不到基本的測洪能力，所謂洪峰流量也多為目估值或最大時段平均流量，且時段長短不一，無法還原為瞬時洪峰流量。

所選參證站均為國家基本水文站，水文測驗、資料整編嚴(yán)格執(zhí)行國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，歷年資料均按水利部頒布的水文測驗、資料整編規(guī)范進行編審，水文資料完整，系列滿足規(guī)范要求，精度可靠，可以滿足本次水文分析計算對資料要求。

本次收集到了鄰近的白楊河五圣宮站1980-2013年共34 a、開墾河站1957-2013年共57 a、木壘站1963-2013年共51 a實測洪水資料。其中五圣宮站距離小龍口水庫僅25 km。

3 洪水成因

小龍口河洪水主要來自以下幾方面：(1)來自該河上游渭戶溝夏季暴雨洪水，(2)上游山間盆地、丘陵及山前沖洪積平原春季季節(jié)性融雪洪水。由于目前對春季季節(jié)性融雪洪水研究成果較少，且成果受地域限制較多，以及這類洪水影響因素的不確定性較多等，小龍口水庫設(shè)計洪水主要以暴雨洪水為主。

通過詳實的現(xiàn)場調(diào)查，小龍口河上游渭戶溝的洪水在小龍口渠首以上6 km處匯入，經(jīng)過泉子街盆地后能夠到達小龍口渠首的洪水很小，對小龍口河影響很小，因此渭戶溝渠首以上的集水面積不加入小龍口河的集水面積中。渭戶溝渠首以下，小龍口渠首以上的區(qū)間面積上，還有三分之一的農(nóng)耕地，種植著小麥、玉米、土豆等農(nóng)作物，因此在估算小龍口渠首洪水時，考慮到農(nóng)耕地對洪水有一定的截滲和滯納作用，所以減去了渭戶溝渠首以上集水面積及小龍口渠首以上農(nóng)耕地三分之一的面積，故渠首處集水面積為(227-60)×0.7=117 km2。本次擬建小龍口水庫壩址至渠首區(qū)間集水面積為2.7 km2，因此小龍口水庫壩址處集水面積為114.3 km2。

4 計算方法

為推求小龍口壩址斷面處的設(shè)計洪水，我們收集到與設(shè)計流域在同一氣候區(qū)的水文、氣象資料，分別采用四種方法進行設(shè)計流域洪水計算。一是利用吉木薩爾縣氣象站實測年最大一日降水量資料，采用調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法和推理公式法[1]計算小龍口壩址斷面設(shè)計洪水；二是利用臨近的五圣宮水文站實測洪水系列資料，采用洪峰洪量模數(shù)法估算水庫壩址斷面處設(shè)計洪水；三是利用小龍口河鄰近具有長系列洪水資料的木壘站、開墾河站、阜康白楊河站作為參證站，根據(jù)參證站歷史洪水調(diào)查資料及實測年最大洪峰流量資料，采用模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法[2]對小龍口水庫壩址斷面洪水進行計算；四是根據(jù)收集到的小龍口渠首逐日平均流量資料，統(tǒng)計得出最大一日、三日洪量，采用長短系列比值法推算小龍口水庫壩址斷面設(shè)計洪量。成果對照見表1。

表1 小龍口水庫壩址斷面設(shè)計洪水成果對照表

5 方法比較與成果推薦

調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法主要依據(jù)吉木薩爾縣氣象站實測的年最大一日降水資料，采用《新疆維吾爾自治區(qū)最大可能暴雨圖集》概化的24小時雨程分配，點面換算系數(shù)及折算系數(shù)均沒有該流域試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗選取，存在一定誤差，從而對設(shè)計洪水成果產(chǎn)生一定影響，因此，不推薦該法計算成果。

推理公式法屬經(jīng)驗公式，依據(jù)實測吉木薩爾縣氣象站降水資料推算結(jié)果。通過移用氣象站暴雨資料、確定經(jīng)驗公式中的參數(shù)，進而推求設(shè)計流域設(shè)計洪水成果。推理公式法計算過程中考慮了流域河長、匯流面積、坡降、暴雨衰減等因素，計算結(jié)果較為符合流域特征。根據(jù)四種洪峰流量計算方法成果對比，推理公式法得到的設(shè)計洪峰流量呈現(xiàn)出一個前高后低的態(tài)勢，這與一般設(shè)計洪峰流量趨勢性不相符，計算成果作為參考。

洪峰洪量模數(shù)法是無資料地區(qū)使用的方法之一。五圣宮站是國家基本水文站，其資料觀測和整編均嚴(yán)格按行業(yè)規(guī)范執(zhí)行，實測水文資料可靠，精度完全能滿足水文分析計算要求。小龍口河與奇臺白楊河均發(fā)源于博格達峰，同處于一個氣候區(qū)，但是產(chǎn)流條件有一定差異，奇臺白楊河洪水類型包括融雪性洪水、暴雨洪水及混合型洪水，小龍口河主要為區(qū)間暴雨洪水，這對洪峰流量的影響較大。且考慮到小龍口水庫下游即吉木薩爾縣縣城，對比不同方法計算成果，從防洪安全角度考慮，推薦采用模數(shù)法計算得到的小龍口水庫設(shè)計時段洪量成果。

地區(qū)模比系數(shù)綜合頻率曲線法，復(fù)核了小龍口河歷史洪水情況，對洪調(diào)資料重新進行了分析并在增加資料的基礎(chǔ)上重新確定了重現(xiàn)期，使之更符合流域?qū)嶋H情況，再將同一氣候區(qū)各參證站的洪水資料綜合在一起進行分析，降低設(shè)計洪水計算成果的抽樣誤差，消除個別年份個別站點受特大值影響帶來的偶然誤差和各站由于水文特性差異造成的差別，綜合出地區(qū)洪水的規(guī)律性，充分利用設(shè)計流域調(diào)查洪水資料，以解決無洪水資料流域的設(shè)計洪水問題。歷史洪水對于計算設(shè)計洪水意義重大，在此推薦采用地區(qū)綜合模比系數(shù)法計算得到的設(shè)計洪峰流量成果。

長短系列比值法是根據(jù)小龍口渠首21年實測水管資料中最大一日、最大三日平均流量統(tǒng)計成果，以鄰近的具有長系列洪量資料的五圣宮水文站為參證站，采用長短系列比值法得到小龍口渠首長系列設(shè)計最大一日、三日洪量均值，再借用五圣宮站對應(yīng)參數(shù)計算得出。通過對水管資料的分析可以發(fā)現(xiàn)，小龍口渠首21年實測資料中有5年最大一日平均流量未超過0.5 m3/s，這表明洪水期水管資料可靠性較低，目估資料偏小，因此不推薦長短系列比值法得到的設(shè)計洪量成果。設(shè)計洪水推薦成果見表2。

表2 小龍口水庫壩址斷面設(shè)計洪水推薦成果表

6 成果合理性分析

將設(shè)計成果與鄰近流域河流的洪峰模數(shù)進行對比，見表3，小龍口河主要以泉水補給為主，主要洪水來源為渭戶溝渠首至小龍口水庫區(qū)間暴雨洪水，設(shè)計洪峰模數(shù)遠小于開墾河站，與五圣宮站(集水面積172 km2)、東大龍口站(集水面積163 km2)設(shè)計洪峰模數(shù)十分接近，符合小河流暴雨洪水的特點，成果較為合理。

表3 小龍口河與相鄰河河流不同頻率洪峰模數(shù)一覽表

7 結(jié)語

小龍口河下游穿越吉木薩爾縣縣城，確定河流不同設(shè)計頻率的洪峰流量、洪水總量對縣城防洪具有較大意義。本次設(shè)計洪水計算采用新疆無資料地區(qū)常用的五種方法，充分考慮流域產(chǎn)流情況，對應(yīng)對洪水災(zāi)害、保證縣城人民財產(chǎn)安全起著十分重要的作用。