新疆白楊河巴依托海渠首除險加固工程洪水分析計算

柴 揚

（吐魯番市清源水利水電勘測設計院有限公司,新疆 吐魯番 838000）

1 概況

巴依托海渠首位于托克遜縣白紅山水庫上游8.5 km處的楊河上,海拔高程417 m,集水面積2619 km2,巴依托海渠首主要功能是引白楊河水為紅山水庫供水,從而為托克遜縣郭勒布依鄉(xiāng)和夏鄉(xiāng)灌區(qū)供水,控制灌溉面積11.86 萬畝。

2009 年2 月對渠首進行了安全鑒定,依據(jù)《水閘安全鑒定規(guī)定》（SL 214-98）的規(guī)定,本水閘屬于四類閘,須拆除重建。

根據(jù)《水閘設計規(guī)范》（SL265—2001）“平原區(qū)水閘樞紐工程分等指標）”,該工程最大過水流量大于100 m3/s。工程等級屬中型III等工程,其主要建筑物為3 級,次要建筑物為4級。據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2001）,本區(qū)地震動峰值加速度為0.10 g,地震動反應譜特征周期0.40 s,對應地震基本烈度為Ⅶ度。據(jù)《水工建筑物抗震設計規(guī)范》（SL 203-97）的規(guī)定,引水工程及其他主要建筑物設計烈度為Ⅶ度。

2 氣象

托克遜縣地處歐亞大陸腹地,北、西、南均有高山屏障,地勢低洼,冷濕空氣不易進入,為典型的溫帶大陸性干旱氣候,其主要特點是：酷熱、干燥、多大風、降雨稀少、蒸發(fā)強烈,氣溫年際變化不大,而日差較大,無霜期長。氣候特征總體表現(xiàn)為：春季氣溫回升快、大風頻繁、風沙危害嚴重；夏季較長且高溫酷熱；秋季降溫迅速、天氣多晴好；冬季短暫而干冷、風小雪稀。

3 水文

受托克遜縣政府和水利局的委托,吐魯番水文水資源勘測局于2008 年12 月在白楊河小草湖渠首上游5 km處處設立了小草湖專用站,主要監(jiān)測項目有水位、流量,測驗方式以巡測為主。該站距上游峽口站25 km,測站高程694 m,集水面積2500 km2。

白楊河小草湖專用站監(jiān)測了2009 年～2011 年3 年,平水期每月測1～2 次,發(fā)生洪水時適當增加測次。2009 年全年實測流量27 份,其中流速儀25 份,中泓浮標2 份,最大流量10.9 m3/s,最小流量1.83 m3/s。2010 年全年實測流量18 份,最大流量6.15 m3/s,最小流量2.04 m3/s。2011 年全年實測流量16 份,最大流量9.62 m3/s,最小流量2.24 m3/s。水位流量關(guān)系采用連實測法整編,經(jīng)分析,2010 年與2011 年的流量資料代表性較差。因此,根據(jù)白楊河2009 年阿拉溝站與白楊河小草湖專用站同期資料做對比分析,找出阿拉溝站與白楊河小草湖專用站同期來水的規(guī)律,對白楊河小草湖專用站的2009 年～2011 年來水量過程進行修正。經(jīng)復核,認為資料精度能滿足工程設計要求。

4 設計洪水

4.1 洪水成因類型

白楊河巴依托海洪水成因有二：其一是山區(qū)降雨特別是中高山區(qū)突降暴雨而形成暴雨洪水；其二是由于天氣變暖、氣溫升高致使冰川、積雪融化而形成冰雪融水洪水。經(jīng)分析,85%以上的洪水都由暴雨所致,冰雪融水洪水只占較少一部分。但當暴雨突發(fā)時,由于天氣驟變易引起冰雪融水洪水,兩種類型的洪水累加在一起,常常對下游產(chǎn)生極大的破壞性。

4.2 參證站確定

以白楊河峽口站（資料系列：1956 年～1958 年、1979 年～1987 年）的徑流量加上還原水量,再與周邊徑流成因和流域下墊面條件相似河流的水文站建立相關(guān)關(guān)系,進行參證站的選擇。經(jīng)分析,阿拉溝站與峽口站關(guān)系較好,因此,選取阿拉溝站為參證站,見表1。

表1 白楊河峽口站與周邊長系列站年徑流相關(guān)表

4.3 參證站的洪水樣本系列分析

（1）長短系列統(tǒng)計參數(shù)對比分析

將阿拉溝站1957 年～2011 年的實測年最大洪峰流量系列,按不同系列長度進行統(tǒng)計參數(shù)（見表2）。從表中可看出,均值與Qv值在47年以后趨于穩(wěn)定[1-3]。

表2 阿拉溝水文站洪峰流量長短系列統(tǒng)計參數(shù)對照表流量：m3/s

（2）模比系數(shù)累積平均曲線分析

阿拉溝站年最大洪峰系列均值隨系列長度增加曲線趨近1.0,自2011 年向前推,在1996 年之前出現(xiàn)遞減遞增過程,遞減過程是受2001 年的最小洪水（1986 年以來的最小洪水）影響；遞增過程主要是受1996 年發(fā)生的大洪水的影響,其他時間為平緩的遞減過程,當系列長度達42 年以上時,均值波幅小于5%,漸趨穩(wěn)定[2、7]。圖1 為阿拉溝站洪峰流量模比系數(shù)累積平均曲線圖。

圖1 阿拉溝水文站洪峰流量模比系數(shù)累積平均曲線圖

（3）模比系數(shù)差積曲線分析

阿拉溝站洪峰模比系數(shù)差積曲線可看出系列有較完整的增減過程,55年的資料中1957年～1985年為小洪水年份,1986年～1993年為中洪水年份,1994年～2000年為大洪水年份,2001年～2011年為中洪水年份,樣本代表性可靠。圖2為阿拉溝站洪峰模比系數(shù)差積曲線圖。

圖2 阿拉溝水文站洪峰流量模比系數(shù)差積曲線圖

綜合上述三個方面的分析,阿拉溝站的洪峰流量系列統(tǒng)計參數(shù)具有一定的穩(wěn)定性,其年際變化過程包含了較完整的周期性特征,具有一定的代表性。

4.4 參證站的設計洪峰流量計算

（1）經(jīng)驗頻率及統(tǒng)計參數(shù)計算方法

洪水經(jīng)驗頻率曲線及統(tǒng)計參數(shù)估算用連序系列計算公式[4、5],公式如下：

式中：n為系列項數(shù)；Pm為按大小順序排位的第m項洪水的經(jīng)驗頻率；xi為實測洪水變量（i=l+1,…,n）；x為洪水變量均值；Cv為洪水變量變差系數(shù)。

Cs與Cv的比值采用經(jīng)驗法,人工適線確定。

（2）設計洪峰流量計算

用阿拉溝水文站洪峰流量系列按連序系列進行頻率分析計算,采用P-Ⅲ型曲線,計算機優(yōu)選適線,其結(jié)果同周邊長系列站（英雄橋、煤窯溝等站）統(tǒng)計參數(shù)Cv,Cs/Cv比較（見表3、表4）,基本一致,符合地區(qū)統(tǒng)計參數(shù)分布規(guī)律[7、8]。

表3 阿拉溝站洪峰流量統(tǒng)計參數(shù)成果表 流量：m3/s

表4 阿拉溝周邊站洪峰流量統(tǒng)計參數(shù)成果表

4.5 參考站設計洪水成果的合理性分析

圖3 為阿拉溝水文站洪水統(tǒng)計參數(shù)及設計值與歷時關(guān)系圖,由圖可見：各點位置無突出偏離,隨歷時的增加,時段洪量逐漸減少,但洪峰流量及1 日洪量明顯較大,這種情況與阿拉溝水文站場次洪水歷時多不超過3 日吻合。Cv值隨歷時的增加,亦呈遞減之勢,表明隨歷時增加,洪量的年際變幅變小。

圖3 阿拉溝水文站設計洪水統(tǒng)計參數(shù)及設計值與歷時關(guān)系圖

本次阿拉溝水文站1 日洪量及洪峰流量頻率計算結(jié)果顯示：1日洪量適線參數(shù)Cv值（1.50）略大于洪峰流量適線參數(shù)Cv值（1.35）。從1日洪量及洪峰流量的系列極值比來看,1日洪量極值比（27.1）大于洪峰流量極值比（25.7）,1日洪量最大模比系數(shù)（6.823）也大于洪峰流量最大模比系數(shù)（5.368）。另外,排位第一的1日洪量與排位第二的1日洪量比值（2.02）均大于相應洪峰流量比值（1.53）,說明1日洪量的系列Cv值偏大是客觀存在的事實。雖然大多數(shù)河流規(guī)律是洪峰系列的Cv值大于1日洪量系列的Cv值,但從理論上講,出現(xiàn)這種情況也是可能的。阿拉溝水文站1996年7月20日的大洪水過程,1日洪量很大,該日（1996年7月20日）平均流量高達334 m3/s,而洪峰流量為490 m3/s,說明該次洪水1日洪量要比洪峰流量突出,又說明該河1 日洪量比洪峰流量年際變化要大,因此阿拉溝水文站1 日洪量適線參數(shù)Cv值略大于洪峰流量Cv值是合理的[9]。

4.6 巴依托海渠首設計洪水

白楊河洪水的發(fā)生時間集中于夏季5月～8月間,初步分析,有三種洪水類型,分別為暴雨洪水、冰雪融水洪水、混合型洪水和冰塞冰壩潰壩洪水。

本次巴依托海渠首設計洪水標準20年一遇,校核洪水標準50年一遇。根據(jù)《新疆托克遜縣白楊河巴依托海渠首除險加固工程水文分析計算》報告,經(jīng)過分析計算比較,推薦使用利用洪水沿程變率計算巴依托海渠首的設計洪峰流量計算成果值做為工程斷面設計洪峰流量的成果。不同頻率設計洪峰流量成果見表5。

表5 巴依托海渠首設計洪峰流量成果對比表

5 結(jié)論

本次主要對巴依托海渠首參證站的設計洪峰流量進行計算,并通過對參考站的洪水樣本系列分析,采用長短系列統(tǒng)計參數(shù)對比分析、莫比系數(shù)累積平均曲線分析、模比系數(shù)差積曲線分析,其年際變化過程包含了較完整的周期性,具有一定的代表性。通過對巴依托海渠首的設計洪水進行計算和分析,為此類渠首的洪水計算提供了設計依據(jù),結(jié)合巴依托海渠首的實施,該計算與分析的成果是可靠的。