托斯呼爾溝水庫設(shè)計洪水計算分析

張小龍

(新疆博爾塔拉水文勘測局，新疆 博樂 833400)

1 流域概況

溫泉縣安格里格鄉(xiāng)托斯呼爾溝位于博爾塔拉河中下游，是博爾塔拉河南岸的一級支流。流域地處歐亞大陸腹地，東鄰烏達克賽河，南連別珍套山?jīng)]吾斯達坂北坡，西接溫泉縣城，北至博爾塔拉河中下游段。托斯呼爾溝在出山口以上集水面積126.2 km2，從河源到出山口河長20.8 km，平均坡降59.2‰，最高海拔高程2 500 m。托斯呼爾溝平常徑流量小，夏季多暴雨洪水，河流流向大致為自南向北流。

2 設(shè)計洪水計算方法及過程評價分析

根據(jù)洪水資料條件，托斯呼爾溝水庫設(shè)計洪峰流量采用以下方法進行計算：(1)可以將溫泉水文站、阿合奇水文站兩個水文站作為參證站，采用洪峰流量面積指數(shù)法計算設(shè)計洪峰流量；(2)在選用相鄰流域的沙爾托海水文站、精河山口水文站和阿合奇水文站的設(shè)計洪水成果的基礎(chǔ)上，進行綜合分析，采用區(qū)域洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法計算設(shè)計洪峰流量；(3)推理公式法計算設(shè)計洪水；(4)調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法計算設(shè)計洪水并進行綜合分析比較，推薦較為合理最終采用的設(shè)計洪水成果。各種方法計算過程及結(jié)果如下所述。

2.1 面積指數(shù)法

根據(jù)參證站溫泉水文站和阿合奇水文站洪水資料，用面積比指數(shù)法來推算托斯呼爾溝水庫的設(shè)計洪水，托斯呼爾溝水庫集水面積為126.2 km2；參證站溫泉水文站集水面積為2 206 km2、阿合奇水文站集水面積為938 km2，根據(jù)公式(1)即可得到設(shè)計斷面洪水成果，見表1。

表1 托斯呼爾溝水庫設(shè)計洪峰和洪量成果表

Q設(shè)=Q參×(F設(shè)/F參)2/3

(1)

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)斷面和參證站的集水面積(km2)

2.2 區(qū)域洪峰、洪量模比系數(shù)綜合頻率曲線法

在采用地區(qū)洪峰洪量模比系數(shù)綜合頻率曲線法計算時，參證站選取的是阿合奇水文站、精河山口水文站和沙爾托海水文站，在充分收集各水文站長系列實測資料和歷史洪水調(diào)查成果的基礎(chǔ)上，可采用該方法推求設(shè)計斷面不同設(shè)計頻率洪峰洪量。其主要的計算步驟主要有六步：(1)對三個參證站依據(jù)洪峰流量系列進行頻率計算；(2)在概率格紙上將各參證站的洪峰流量模比系數(shù)經(jīng)驗點和不同設(shè)計頻率的洪峰模比系數(shù)分別點繪上去進行配線，這就是地區(qū)綜合頻率曲線法；(3)按照上述兩個步驟在配線時取經(jīng)驗點據(jù)中值線、均值線和最大值線，就可以最終獲得中值法、均值法和最大值法的配線。地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線見圖1和圖2；(4)在地區(qū)模比系數(shù)綜合頻率曲線上需要采用的調(diào)查洪峰流量模比系數(shù)Kd；(5)用調(diào)查洪峰流量模比系數(shù)與設(shè)計頻率洪峰模比系數(shù)的比值乘以調(diào)查歷史洪水洪峰流量，能得到相應(yīng)設(shè)計頻率的洪峰流量。不同頻率的Kp值可以在綜合頻率曲線上查到。詳見表2；(6)以阿合奇設(shè)計洪水過程估算托斯呼爾溝時段洪量以托斯呼爾溝調(diào)查洪峰流量，對阿合奇參證站設(shè)計洪水過程進行同倍比放大，估算托斯呼爾溝調(diào)查洪水的最大一日洪量。阿合奇參證站100 a一遇洪水的洪峰流量、一日洪量分別為：Q1%=157 m3/s、W1d，1%=629.4×104m3。托斯呼爾溝調(diào)查洪水最大一日洪量、最大三日洪量計算公式為：

表2 地區(qū)洪峰及時段洪量模比系數(shù)不同設(shè)計頻率kp值查算表

圖1 地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線

圖2 地區(qū)1日洪量模比系數(shù)綜合頻率曲線

W1d，調(diào)(托)=W1d，1%(阿)×Q調(diào)(托)/Q1%(阿)

(1)

式中：Q調(diào)(托)為托斯呼爾溝調(diào)查洪水洪峰流量；W1d，調(diào)(托)為托斯呼爾調(diào)查洪水最大一日洪量；Q1%(阿)為參證站設(shè)計洪水洪峰流量；W1d，1%(阿)為參證站設(shè)計洪水最大一日洪量。

估算托斯呼爾溝調(diào)查洪水的一日最大洪量為：

W1d，調(diào)(托)=629.4×37.6/157×104m3=150.7×104m3

設(shè)計洪峰流量計算公式如下：

(2)

式中：Qp為設(shè)計洪峰流量(m3/s)；Kp為設(shè)計洪峰流量模比系數(shù)；Qd為調(diào)查歷史洪水洪峰流量(m3/s)；Kd為調(diào)查歷史洪水洪峰流量模比系數(shù)。

根據(jù)綜合頻率曲線不同頻率的Kp值和重現(xiàn)期，由以上計算方法即可得到上下壩址的設(shè)計洪峰流量。在洪水調(diào)查過程中了解到的信息情況確定，2006年發(fā)生的洪水是最大洪峰流量。根據(jù)訪問人搬遷時間確定重現(xiàn)期，即重現(xiàn)期T=(2016-1975+1+1)=43(年)

因此把此次洪水資料作為歷史洪水帶入公式(2)可得表3。

表3 托斯呼爾溝水庫設(shè)計洪峰、洪量計算成果表

2.3 推理公式法

根據(jù)《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》(SL 44-93)中推薦的推理公式，由設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水，其計算式如下：

Qmp=0.278·ψ·SP·F/τn

(3)

(4)

式中：Qmp為設(shè)計頻率洪峰流量(m3/s)；0.278為單位換算系數(shù)；ψ為洪峰徑流系數(shù)；SP為雨力(mm/h)；τ為流域匯流歷時(h)；n為暴雨遞減指數(shù)；F為流域面積(km2)；m為匯流參數(shù)；J為河道縱坡降；L為出口斷面以上沿河道至分水嶺的最長距離(km)。

(2)設(shè)計暴雨參數(shù)n和SP的確定

SP=P24，p·24n-1=K·P1日，p

(5)

根據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)可能最大暴雨圖集》，結(jié)合天山北坡實際情況，暴雨遞減指數(shù)n取0.64，日雨量折算為24 h雨量的換算系數(shù)K取1.13，利用溫泉水文站年降水量頻率計算成果，見表4、圖3。

表4 溫泉水文站降水量頻率計算成果表

(3)匯流參數(shù)m的選定

根據(jù)《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》，結(jié)合設(shè)計流域河長與河道縱坡降等參數(shù)及下墊面條件；

(4)應(yīng)用推理公式計算軟件計算成果見表5。

表5 托斯呼爾溝水庫設(shè)計洪峰流量成果表

2.4 調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法

以托斯呼爾溝水庫最為鄰近的溫泉水文站作為參證站，基于最大一日降水資料進行計算分析。收集溫泉水文站最大一日降水資料經(jīng)過頻率計算(見圖3)，可以推算出不同頻率設(shè)計的最大一日降水量，詳細計算成果見表6。

表6 托斯呼爾溝水庫設(shè)計洪峰和洪量成果表

圖3 溫泉水文站最大一日降水量頻率曲線圖

同時從《新疆維吾爾自治區(qū)可能最大暴雨圖集》上可以查詢到天山北坡地區(qū)逐時雨量分配過程。根據(jù)雨量分配的具體過程，假設(shè)產(chǎn)流歷時為tc，在該圖集中的產(chǎn)流綜合圖上查詢出相應(yīng)產(chǎn)流期的平均損失率f，最后求出產(chǎn)流期雨量ptc，對tc是否合適進行驗證。

產(chǎn)流期平均凈雨強度I凈計算見下式。

I凈=R凈/tc

(6)

R凈=ptc-f×tc

(7)

用集水面積F和I凈在《新疆維吾爾自治區(qū)中小流域設(shè)計暴雨洪水圖集》匯流綜合圖上查得示儲小時數(shù)t0。設(shè)定參數(shù)tm，漲洪時段n，匯流計算時段△t。用下式求調(diào)蓄經(jīng)驗單位線公比b。

b=(t0-0.5×Δt)/(t0+0.5×Δt)

(8)

用上式求以b為公比的無窮遞減等比級數(shù)u值。

u1=(1-b)

(9)

u2=(1-b)b

(10)

u3=(1-b)b2

(11)

將△t時段的凈雨量換算成凈雨流量Ii。

Ii=F×Ri/3.6 ×Δt

(12)

Ii乘以u值，并依次疊加，便得出地面徑流過程，再合成基流即設(shè)計洪水過程線，其最大值即設(shè)計洪峰流量。

3 設(shè)計洪水成果比選推薦

為減少設(shè)計成果計算方法單一造成的一些弊端，盡可能地使用多種方法進行設(shè)計洪水計算及綜合分析，最后推薦出最為切合實際的計算成果。以上幾種方法計算的安格里格鄉(xiāng)托斯呼爾溝出山口斷面的設(shè)計洪水成果，因為各種資料條件和計算方法不相同，所以計算出的設(shè)計洪峰流量成果也存在一定差距，現(xiàn)對各種計算成果進行必要的分析，不同方法計算的設(shè)計洪峰流量和設(shè)計一日洪量成果比較詳見表7和表8。最終從中推薦一種較為合理的計算成果供設(shè)計部門參考使用。

(1)從各種計算方法的具體過程來看，面積指數(shù)法在應(yīng)用過程中，由于選用的參證站溫泉水文站和阿合奇水文站，這兩個水文站處于同一氣候區(qū)的相鄰流域，兩條河流的產(chǎn)匯流、下墊面條件、流域集水面積和河槽調(diào)蓄能力與托斯呼爾溝差別較大，所以，最終采用的參證站計算出的設(shè)計成果與各計算斷面的設(shè)計值會存在明顯差異；

(2)地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法的一般是將同一氣候區(qū)各參證站的洪水資料進行綜合分析，基于流域的基礎(chǔ)調(diào)查洪水資料，可以解決無洪水資料流域的設(shè)計洪水問題。從對參證站歷史洪水考證期的符合來看，安格里格鄉(xiāng)托斯呼爾溝與附近流域發(fā)生洪水時間不盡一致，局地暴雨發(fā)生較頻繁，計算出的結(jié)果誤差較大，所以在本次計算中，不推薦采用地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法的計算成果。

(3)在采用調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法時，以溫泉水文站為參證站，通過對實測雨量資料的頻率計算，可以確定各設(shè)計斷面最大24 h設(shè)計雨量，經(jīng)過產(chǎn)匯流計算最后可得到計算成果。進行計算過程中，選用的點面折算系數(shù)、最大一日降水與最大24 h降水轉(zhuǎn)換系數(shù)都是1984年的《新疆維吾爾自治區(qū)可能最大暴雨圖集》數(shù)值，選取的站點降水量為均為60、70年代降水量。

通過對表7、表8中的計算成果對比分析，可以看出計算結(jié)果與實際相接近，采用推薦推理公式法的計算成果作為最終成果比較合理，最終設(shè)計洪水推薦成果見表9。

表7 托斯呼爾溝水庫設(shè)計洪峰流量各種方法計算成果比較 m3/s

表8 托斯呼爾溝水庫設(shè)計一日洪量各種方法計算成果比較 104m3

表9 托斯呼爾溝水庫設(shè)計洪水推薦成果表

4 結(jié)語

通過對以上幾種方法計算的托斯呼爾溝出山口斷面的設(shè)計洪水成果比選分析可知，因為各種資料條件和計算方法不相同，所以計算出的設(shè)計洪峰流量成果也存在一定差距，綜合來看，采用調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法和推理公式法計算的成果與實際結(jié)果比較接近，最終選擇采用推理公式法的計算成果是最為切合實際的。