新疆瑪納斯紅沙灣水庫壩址設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

陳 巍

(新疆維吾爾自治區(qū)石河子市水文勘測局，新疆 石河子 832000)

紅沙灣渠首是塔西河流域內(nèi)非常重要的引水渠首。紅沙灣水庫工程運(yùn)行43年來，遭到了一定程度的破壞，雖幾經(jīng)改造加固，仍不能滿足引水泄洪要求，存在的問題有：渠首工程設(shè)計(jì)存在缺陷，布置不合理，按現(xiàn)行洪水標(biāo)準(zhǔn)引水，該渠首工程不能滿足防洪要求；泥沙淤積嚴(yán)重，不能滿足引水要求；結(jié)構(gòu)老化破壞嚴(yán)重，不能滿足安全運(yùn)行要求，不能充分發(fā)揮灌溉及防洪效益。本文針對紅沙灣水庫壩址設(shè)計(jì)洪峰流量進(jìn)行計(jì)算分析。

1 工程概況

紅沙灣水庫工程位于塔西河出山口前中低山區(qū)，至瑪納斯縣城35 km，該水庫是石門子水庫的反調(diào)節(jié)水庫，工程主要任務(wù)為灌溉與工業(yè)供水，兼顧防洪與發(fā)電，水庫規(guī)劃總庫容為2454×104m3，最大壩高65 m；工程規(guī)模屬Ⅲ等中型工程，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級；該水庫工程由攔河壩、導(dǎo)流兼泄洪排沙洞、表孔溢洪道和放水兼發(fā)電洞等建筑物組成；水庫壩址采用碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩，垂直河道呈直線布置。

經(jīng)對瑪納斯縣氣象站觀測資料統(tǒng)計(jì)，多年平均年降水量196.9 mm，其中4月～7月占全年的47.3%，1月最少，僅為7.7 mm，占全年的3.91%，5月最大，達(dá)26.1 mm，占全年的13.3%；多年平均年蒸發(fā)量1646.2 mm(Φ20 cm蒸發(fā)皿觀測)，其中5月～8月占全年的67.2%；多年平均氣溫7.0℃，極端最高氣溫42.0℃，出現(xiàn)于1977年7月12日，極端最低氣溫-38.8℃，出現(xiàn)于1969年1月29日。

2 塔西河洪水洪峰流量沿程變化分析

2.1 塔西河洪水洪峰流量沿程變化

由于石門子(一)、劉家莊、紅沙灣三水文站有1963年9月～1966年7月近三年的同步并行觀測資料，因此可選擇同場次洪水峰對峰流量數(shù)據(jù)來分析洪峰流量沿程變化。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，得到石門子(一)、劉家莊、紅沙灣三水文站同場次洪水峰對峰流量數(shù)據(jù)(見表1)。

表1 石門子(一)、劉家莊、紅沙灣三水文站同場次洪水峰對峰流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

從表1中統(tǒng)計(jì)到的13場洪水變化過程可看出，塔西河自石門子水文(一)站至劉家莊水文站再到紅沙灣水文站25.5 km長的區(qū)間內(nèi)，同場次洪水洪峰流量沿程變化中有2次先增后減、5次先減后增、4次連續(xù)衰減、2次連續(xù)遞增。

在石河子水文水資源勘測局項(xiàng)目組對紅沙灣渠首“1995·7·14”“1996·7·18”暴雨洪水和火燒洼溝“2004·7·6”暴雨洪水的調(diào)查中，均出現(xiàn)洪峰流量沿程遞增的趨勢，其中“1996·7·18”暴雨洪水是全流域暴雨形成，“1995·7·14”“2004·7·6”暴雨洪水的暴雨中心均位于石門子水文站下游，尤其是紅沙灣渠首“1995·7·14”暴雨洪水，在石門子水文(二)站至紅沙灣渠首21.0 km長的區(qū)間內(nèi)，洪峰流量增加了74.0 m3/s。

由此可見，暴雨中心發(fā)生在石門子、劉家莊水文站上、下游不同的位置，洪峰流量沿程變化將出現(xiàn)先增后減、先減后增、連續(xù)衰減和連續(xù)遞增四種情況。

2.2 洪峰流量相對遞增率計(jì)算

為工程偏于安全考慮，本次紅沙灣水庫壩址洪水的洪峰流量沿程變化按分段連續(xù)遞增計(jì)算，并且選用分段增率最大者[1]，即在石門子水文(一)站至劉家莊水文站段(簡稱上、中游段)，選用洪峰流量從38.0 m3/s增至47.6 m3/s；在劉家莊水文站至紅沙灣水文站段(簡稱中、下游段)，選用洪峰流量從28.6 m3/s增至79.6 m3/s。計(jì)算公式為：

KP=[(Qx-QS)/QS]×100%

式中：KP為區(qū)間相對遞增率，%；QS為上斷面洪峰流量，m3/s；Qx為下斷面洪峰流量，m3/s。

①根據(jù)選用兩場洪水的上、中游段和中、下游段洪峰流量數(shù)據(jù)，計(jì)算出上、中游段和中、下游段的洪水洪峰流量相對遞增率分別為25.26%和178.32%。

②根據(jù)“1995.7.14”暴雨洪水的上、下游峰對峰流量數(shù)據(jù)，計(jì)算該場洪水上、下游段的洪峰流量相對遞增率為274.07%。

③根據(jù)“1996.7.18”暴雨洪水的上、下游峰對峰流量數(shù)據(jù)，求出該場洪水上、下游段的洪峰流量相對遞增率為25.18%。

3 壩址設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

本次計(jì)算采用地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法[2]進(jìn)行計(jì)算。

選取同一氣候區(qū)內(nèi)石門子、清水河子、肯斯瓦特、八家戶和喇嘛廟五水文站實(shí)測洪峰流量樣本，編制地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線(見圖1)，求得不同頻率的洪峰流量模比系數(shù)Kp值(見表2)。根據(jù)表2中的Kp值，依據(jù)本次紅沙灣渠首斷面塔西河歷史第四大洪水(“1996.7.18”洪水)調(diào)查成果，推算天然情況下紅沙灣渠首處不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量成果(見表3)。

表2 地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)設(shè)計(jì)KP值計(jì)算成果表

表3 天然情況下紅沙灣渠首處設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果表 單位：m3/s

圖1 地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線圖

計(jì)算公式：

Qp=Kp×Qd/Kd

(1)

式中：Qp為設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；Kp為設(shè)計(jì)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)(由調(diào)查洪水的重現(xiàn)期根據(jù)綜合頻率曲線求得)。

根據(jù)表3中的設(shè)計(jì)洪峰流量成果和紅沙灣渠首、紅沙灣水庫上下壩址以上的集水面積，利用公式(2)，求得天然情況下紅沙灣水庫上、下壩址處不同保證率的設(shè)計(jì)洪峰流量成果(見表4)。

表4 天然情況下紅沙灣水庫上、下壩址處設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果表 單位：m3/s

Qmp=Mcp×F

(2)

式中：Qmp為工程廠址設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；Mcp為參證站設(shè)計(jì)洪峰模數(shù)，m3/(s·km2)；F為工程廠址集水面積，km2。

根據(jù)石門子水文站設(shè)計(jì)洪峰流量成果和石門子水文(三)站、石門子水庫壩址以上的集水面積，利用式(2)，求取石門子水庫壩址處不同保證率的設(shè)計(jì)洪峰流量成果(見表5)。

表5 石門子水庫壩址處設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果表 單位：m3/s

根據(jù)天然情況下紅沙灣水庫上、下壩址處設(shè)計(jì)洪峰流量成果和石門子水庫壩址處設(shè)計(jì)洪峰流量成果，把兩者進(jìn)行同頻率相減，可求得石門子水庫壩址至紅沙灣水庫上、下壩址區(qū)間不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量成果(見表6)。

表6 石門子水庫壩址至紅沙灣水庫上、下壩址區(qū)間設(shè)計(jì)洪峰流量成果表 單位：m3/s

根據(jù)石門子水庫壩址至紅沙灣水庫上、下壩址區(qū)間的設(shè)計(jì)洪峰流量成果和石門子水庫出庫設(shè)計(jì)洪峰流量成果，把兩者同頻率相加，可求得紅沙灣水庫上、下壩址處不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量成果(見表7)。

表7 紅沙灣水庫上、下壩址處設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果表 單位：m3/s

4 結(jié)語

采用地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法對紅沙灣水庫工程項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)算，以同一氣候區(qū)內(nèi)有實(shí)測長系列洪水資料的5條河流水文站為參證站，繪制模比系數(shù)綜合頻率曲線，求得不同頻率的洪峰流量模比系數(shù)設(shè)計(jì)KP值，再利用塔西河紅沙灣渠首處歷史洪水調(diào)查資料，并結(jié)合石門子水文站、石門子水庫出庫設(shè)計(jì)洪峰流量成果，從而推求出紅沙灣水庫上、下壩址處設(shè)計(jì)洪峰流量。該計(jì)算成果精度較可靠，推薦采用地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法計(jì)算成果。