克孜河平原區(qū)洪水類型分析與設(shè)計(jì)洪水計(jì)算研究

趙亮

(五家渠農(nóng)六師勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，新疆 五家渠 831300)

1 流域概況

克孜河發(fā)源于吉爾吉斯斯坦境內(nèi)，全長(zhǎng)737 km，流域總面積24 143 km2，其中約600 km河段在中國(guó)新疆西南部?？俗魏恿饔虻匦畏秩?jí)，分別為西部高原山區(qū)、向平原區(qū)過渡的淺山丘陵區(qū)和出山口以下洪積、沖積平原區(qū)?？俗魏悠皆瓍^(qū)流域面積17 658.40 km2，河長(zhǎng)499 km，河道比降在1‰～10‰之間，進(jìn)入平原區(qū)后，克孜河分為兩支：北支為主流，流經(jīng)喀什進(jìn)入邦克爾水庫；南支為天南維其克河，在伽師縣英阿瓦提渠首前匯入主河道。

2 氣象

克孜河流域深處內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，三面環(huán)山，冷濕氣流難以侵入，平原區(qū)主要?dú)夂蛱卣鳛闅鉁厝兆兓?，日照時(shí)間長(zhǎng)，降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣候干燥。以伽師縣氣象站資料為例，多年平均氣溫11.60℃，降雨水平分布不均，西多東少，多年平均年降雨量為120.20 mm，多年平均蒸發(fā)量為3 168 mm，最大凍土深度為70 cm，凍土期為11—3月份。

3 水文

3.1 水文站網(wǎng)及基本資料

克孜河流域與本次水文分析計(jì)算有關(guān)的水文站有：卡拉貝利、卡浪溝呂克、卡甫卡、貝那木4處水文站，其中卡拉貝利水文站位于克孜河出口處，是克孜河水量控制站，國(guó)家一級(jí)水文站，測(cè)站以上集水面積13 700 km2，控制河長(zhǎng)213 km，該站始建于1958年，至2019年已有62年連續(xù)實(shí)測(cè)水文資料；卡浪呂克站為該河的水量控制站，集水面積1 954 km2，現(xiàn)存1958年12月至1968年3月、1969年6月至2019年12月資料；卡甫卡水文站現(xiàn)存資料為1956年4月至1958年4月，后遷至卡拉貝利站合并觀測(cè)；貝那木站現(xiàn)存資料為1958年3月至1961年12月。以上資料均經(jīng)新疆水文水資源局審查，已編入國(guó)家水文年鑒，因而各站基礎(chǔ)資料可靠。

3.2 徑流

克孜河徑流量由高山帶的冰川融雪補(bǔ)給、中低山帶的季節(jié)性融雪補(bǔ)給以及春夏來自天山和帕米爾高原間的降雨及泉水補(bǔ)給組成?？俗魏由嫌伪ǜ采w面積較大，徑流的主要補(bǔ)給來自冰川融雪水，對(duì)河流具有補(bǔ)償作用，因此克孜河年際變化較為平穩(wěn)，變差系數(shù)Cv值為0.16，年最大徑流量26.90億m3，最小徑流量15.60億m3，兩者比值為1.70。本次采用卡拉貝利水文站1958—2019年年平均流量為69.99 m3/s，年徑流量為22.09×108m3。

3.3 洪水

3.3.1 洪水類型及特征

克孜河的洪水主要有四種類型。

3.3.1.1 冰雪融水型洪水

該型洪水最常見，其與升溫過程關(guān)系密切，多發(fā)生于7—9月份，其年最大洪峰、年際過程相對(duì)平緩，洪水歷時(shí)較長(zhǎng)，一般10—25 d，漲洪較平緩，峰型多為復(fù)式，洪水波沿程衰減率較小，衰減水平較其它三類洪水相比較低。如1979年6月，卡拉貝利站自6月4日開始起漲，29日洪水退去，總歷時(shí)25 d，從起漲至峰頂530 m3/s，歷時(shí)9 d，漲洪歷時(shí)占總歷時(shí)的30%，洪水歷經(jīng)十余波后逐級(jí)退去。

3.3.1.2 暴雨型洪水

當(dāng)區(qū)域持續(xù)性降水雨強(qiáng)較大時(shí)，流域超滲產(chǎn)流形成暴雨洪水，多發(fā)生在7月下旬至8月中上旬，其特點(diǎn)是峰高量小，洪水過程單一，陡漲陡落，歷時(shí)短。如1987年8月8日，中低山區(qū)24 h降水達(dá)約10 mm導(dǎo)致克孜河流量由177 m3/s突增至661 m3/s，起漲幅度近3倍，為當(dāng)年最大洪峰流量，此次洪水歷時(shí)5 h，其中漲洪歷時(shí)2.80 h，洪量為0.49×108m3，僅占全年水量的2.00‰。

3.3.1.3 雨雪混合型洪水

多發(fā)生在5—8月，高區(qū)積溫增加，促使冰雪融化水量增大，在中低山區(qū)遇降雨所形成的疊加型洪水，其特點(diǎn)是峰值不高，但量大歷時(shí)長(zhǎng)，通常在流量日變化過程線上疊置1～2個(gè)尖瘦洪峰。

3.3.1.4 “潰壩型”洪水

因獨(dú)特地理?xiàng)l件，中低山區(qū)發(fā)生較大降水時(shí)，發(fā)生暴雨泥石流阻塞克孜河干流，形成臨時(shí)水庫，在一定的力學(xué)條件下潰泄，形成“潰壩型”洪水，其與下游的暴雨洪水疊加，危害極大。由于其成因復(fù)雜，因此洪水特征差異較大，通常呈現(xiàn)峰值增加、漲洪歷時(shí)延長(zhǎng)、洪水峰高量大等特點(diǎn)，從卡拉貝利站62 a實(shí)測(cè)資料看，“潰壩型”洪水與較大消融型洪水幾無遭遇機(jī)率。

3.4 設(shè)計(jì)洪峰

共選取三個(gè)控制斷面，各斷面設(shè)計(jì)洪水成果根據(jù)參證站設(shè)計(jì)洪水成果沿程衰減得到，洪水沿程衰減率按1999年洪水調(diào)查分析結(jié)果推求，同時(shí)考慮卡拉貝利水庫等已建水利工程對(duì)洪水的調(diào)節(jié)作用。

3.4.1 天然徑流設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)克孜河卡拉貝利站、卡浪溝呂克水文站實(shí)測(cè)結(jié)果，得到克孜河卡拉貝利水文站、卡浪溝呂克水文站和卡甫卡斷面年最大設(shè)計(jì)洪峰統(tǒng)計(jì)參數(shù)成果，以卡甫卡斷面為例，其年最大洪峰頻率曲線如圖1所示。

圖1 卡甫卡斷面年最大洪峰頻率曲線圖

3.4.2 工程調(diào)節(jié)后洪水

卡拉貝利水庫是克孜河山區(qū)控制性水利樞紐工程，水庫為大(2)型，總庫容2.62億m3，水庫建成后，結(jié)合下游堤防可使下游防洪標(biāo)準(zhǔn)P=10%提高到P=2%，水庫安全泄量為500 m3/s?？ɡ惱畮炫c卡甫卡斷面之間有支流卡浪溝呂克河匯入，其洪水峰高但量很小，洪水調(diào)節(jié)時(shí)采用補(bǔ)償調(diào)節(jié)方式，即水庫遇下游防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水即P=2%時(shí)，通過水庫控泄方式，在考慮區(qū)間洪水的疊加影響后，要求在卡甫卡斷面洪水不超過安全泄量1 035 m3/s。

汛期洪水組成挑選了1966、1974、1998、1999、2004年5個(gè)典型年，按照干流和卡甫卡同頻、區(qū)間(卡浪溝呂克河)相應(yīng)，區(qū)間和卡甫卡同頻、干流相應(yīng)兩種組合，每種組合均計(jì)算卡甫卡斷面按設(shè)計(jì)水平年安全泄量1 035 m3/s和現(xiàn)狀安全泄量1 035 m3/s兩種情況，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 克孜河調(diào)洪計(jì)算成果表

圖3 A、B橫斷面變化示意圖

3.5 設(shè)計(jì)洪水位

本次對(duì)20 km長(zhǎng)的河段進(jìn)行大斷面測(cè)量，斷面間距在1 km左右，實(shí)測(cè)河道大斷面21個(gè)，各斷面糙率采用0.03～0.04、平均比降采用0.40‰～0.70‰。采用單斷面比降法計(jì)算各斷面單斷面水位流量關(guān)系，采用水面線法進(jìn)行設(shè)計(jì)水位計(jì)算，兩者互相驗(yàn)證，得到本河段設(shè)計(jì)洪水位結(jié)果。根據(jù)本河段防洪標(biāo)準(zhǔn)，P=10%設(shè)計(jì)洪水位成果如圖2所示。

圖2 克孜河平原區(qū)設(shè)計(jì)洪水位成果圖

3.6 河床演變

3.6.1 局部深槽變化

以工程涉及某局部河段為例，對(duì)10 m深槽變化進(jìn)行分析。從1965到2010年間深槽變化較為明顯，1965年深槽位于河段中間，1970—1983年間深槽槽首沖刷槽尾淤積，槽首與上游深槽連為一體，深槽變寬的同時(shí)向河道左側(cè)移動(dòng)；1985—1996年此段發(fā)生嚴(yán)重淤積，深槽基本消失；而1996—2005年河道沖刷劇烈，出現(xiàn)較大面積的深槽，同時(shí)偏向河道左側(cè)。2010年及此后河道深槽變化不明顯。2017年及以后由于卡拉貝利水庫修建，水庫下游河道沖刷劇烈，各部分深槽延展為一體，寬度增加，在河道橫向均勻分布。

3.6.2 橫斷面變化

以水庫壩址下游河道為例，其1959—2010年兩處橫斷面變化圖如圖3所示。

可知A斷面深槽偏向右側(cè)，右側(cè)河道多年來無太大變化，斷面左側(cè)變化較為明顯，1959—1998年左側(cè)斷面持續(xù)淤積，1998—2010年左側(cè)斷面沖淤交替總體變化不大，個(gè)別年份如1998年斷面中部發(fā)生較明顯淤積；B斷面深槽位置左右側(cè)交替，斷面左側(cè)從1959—1998年淤積嚴(yán)重，右側(cè)在1981年沖刷下切劇烈；CS9斷面深槽居中，從1959—1998年斷面不斷淤積加高，之后到2010年間斷面沖淤交替變化，變化幅度不大。2010年及以后，各斷面變化較小。

綜合判斷，1958—2015年克孜河干流斷面以淤積為主，但部分年份部分河段沖淤變化較為明顯。按沙量平衡法計(jì)算，全斷面共淤積6.31億m3，其中主槽淤積2.64億m3，年平均淤積600萬m3，占總淤積量的41.80%，按克孜河平原區(qū)全河段水面寬為100 m推算，主槽年平均淤積厚度為0.05 m。

由于卡拉貝利水庫于2018年開始蓄水，近兩年下泄洪水含沙量大大減少，壩下河道發(fā)生長(zhǎng)距離的沿程沖刷，一段時(shí)間以內(nèi)，下游河道均以沖刷為主，預(yù)計(jì)水庫運(yùn)用達(dá)30年后，沖刷量達(dá)到最大，開始少量回淤。從安全角度出發(fā)，在近期治理中，堤頂高程設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)仍以現(xiàn)狀河道的河床高程為準(zhǔn)，同時(shí)節(jié)點(diǎn)與護(hù)岸工程應(yīng)考慮上游來水來沙變化，適當(dāng)加深基礎(chǔ)埋深。

4 結(jié)語

文章選取卡拉貝利、卡浪溝呂克等水文站作為參證站，根據(jù)實(shí)測(cè)資料得出克孜河卡拉貝利、卡浪溝呂克和卡甫卡水文站共三個(gè)斷面年最大洪峰頻率曲線，結(jié)合卡拉貝利水庫調(diào)洪成果，采用單斷面比降法和水面線法對(duì)克孜河中下游平原區(qū)河段設(shè)計(jì)洪水分別進(jìn)行了計(jì)算并相互驗(yàn)證。通過對(duì)克孜河平原區(qū)洪水進(jìn)行研究，為克孜河中下游治理提供技術(shù)依據(jù)的同時(shí)，也對(duì)保障流域行洪安全提供了參考和驗(yàn)證。從克孜河中下游治理和運(yùn)行情況來看，該分析和計(jì)算成果是合理的。