新疆托克遜縣阿拉溝引水渠首除險加固工程洪水分析計算

郭軍輝

(吐魯番市水利水電勘測設計研究院，新疆 吐魯番 838000)

1 概 況

阿拉溝河流域地跨烏魯木齊市、和靜縣、托克遜縣，位于E86°50′-E89°11′，N42°40′-N43°05′之間，阿拉溝河流經(jīng)巴州和靜縣、烏魯木齊市和吐魯番地區(qū)的托克遜縣，尾閭為吐魯番市境內(nèi)的艾丁湖。

2009年2月，有關專家對渠首進行了安全鑒定，鑒定結(jié)果為三類閘，需進行除險加固。

2 氣 象

托克遜縣為典型的溫帶大陸性干旱氣候，多年平均降水量為8.2 mm。全年降水量以夏季最多，春季次之。多年平均蒸發(fā)量為3 014.9 mm，多年平均氣溫為14.5℃，冬季歷年最大凍土深度為60 cm(1984年)。托克遜縣地勢高低懸殊，受熱面積大，溫度變幅大，導致多風天氣的產(chǎn)生，多年平均最大風速大于40 m/s，最大風力為12級，素有“風庫”之稱。

3 水 文

3.1 阿拉溝水文站

該站1956年11月設立于托克遜縣阿樂慧鎮(zhèn)的阿拉溝河出山口附近。因1996年特大洪水將該站測驗設施沖毀，次年下遷至原斷面下游5 km處，中間無支流匯入，遷移前后測驗斷面以上集水面積變化不大，遷移前后資料合并統(tǒng)計。該站除1958年10-12月、1959年1-6月缺測流量外，其余時段資料完整。

3.2 艾維爾溝巡測站

該巡測站由吐魯番水文局在1986-1989年在阿拉溝水文站下游約2 km處的大橋上550 m處巡測，4年觀測斷面一致，上述兩站觀測項目統(tǒng)計見表1。

表1 阿拉溝水文站及艾維爾溝觀測項目統(tǒng)計表

4 洪 水

4.1 洪水成因類型

阿拉溝河存在3種基本的洪水類型：①中高山區(qū)大降雨形成的暴雨型洪水；②隨著氣溫逐漸上升，冰川以及積雪融化形成的冰雪融水洪水；③隨氣溫上升，加之大降雨形成暴雨，形成融水混合型洪水。3種類型洪水中，以暴雨洪水最為突出。

4.2 參證站設計洪峰流量計算

4.2.1 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)估算采用連序系列計算公式，公式如下：

(1)

(2)

(3)

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。

4.2.2 設計洪峰流量計算

阿拉溝水文站洪峰流量按連序系列進行頻率計算，采用P-Ⅲ型曲線優(yōu)選適線計算，統(tǒng)計參數(shù)及設計洪峰流量計算成果見圖1和表2。

圖1 阿拉溝水文站洪峰流量頻率曲線圖

表2 阿拉溝站洪峰流量及時段洪量設計成果表

4.3 艾維爾溝巡測站設計洪峰流量確定

4.3.1 洪峰模數(shù)法

艾維爾溝與阿拉溝為相鄰流域，屬同一氣候區(qū)，下墊面條件、洪水成因及類型較為相似，但集水面積相差較大。艾維爾溝上游產(chǎn)洪能力較阿拉溝弱：①艾維爾溝系阿拉溝河一個支流，艾維爾溝巡測站和阿拉溝水文站所處斷面海拔高程(分別為773和787.321 m)基本相同；②阿拉溝和艾維爾溝河流域高程最高為4 400 m，最低為770 m左右，難以按控制面積進行修正，因此只能按水文站洪峰模數(shù)來計算。

(4)

式中：Q設為設計洪峰流量，m3/s；Q參為參證站設計洪峰流量，m3/s；F參為參證站集水面積，km2；F設為匯水區(qū)集水面積，km2。

采用式(4)計算艾維爾溝巡測站設計洪峰流量，成果見表3。

表3 艾維爾溝巡測站設計洪峰流量成果表(洪峰模數(shù)法)

4.3.2 長短系列訂正法

按艾維爾溝1981和1996年兩年洪水調(diào)查值與臨近阿拉溝站同期洪水進行長短系列訂正，由公式得出多年平均洪峰流量為35.0 m3/s，再用阿拉溝站洪峰流量統(tǒng)計參數(shù)計算出該溝的設計洪水計算成果，見表4。

表4 艾維爾溝巡測站設計洪峰流量成果表(長短系列訂正法)

4.3.3 洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合法

選取處于同一氣候區(qū)內(nèi)具有較長實測洪水系列的水文站作為參證站，根據(jù)參證站實測年最大洪峰流量及歷史調(diào)查洪水資料，采用成都科技大學等3所院校合編的《工程水文及水利計算》一書提出的“地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法”，推求調(diào)查斷面設計洪峰流量，公式如下：

(5)

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

采用本氣候區(qū)內(nèi)具有較長實測洪水系列的阿拉溝、煤窯溝、二塘溝、柯柯亞水文站歷史調(diào)查洪水和實測洪峰流量系列樣本，編制地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線(圖2)。

圖2 吐魯番地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線圖

本次采用1981年洪水97.9 m3/s和1996年107 m3/s洪水調(diào)查成果，重現(xiàn)期定為29年，其相應的模比系數(shù)為3.907。據(jù)此求得KP值及艾維爾溝巡測站不同設計頻率設計洪峰流量，見表5。

表5 艾維爾溝站設計洪峰流量成果表(模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率線法)

4.3.4 艾維爾溝設計洪峰流量的確定

上述幾種計算方法對比見表6。

表6 艾維爾溝設計洪峰流量成果對比表

由于艾維爾溝是阿拉溝的一條支流，兩者為同一氣候區(qū)的相鄰流域，下墊面和洪水形成規(guī)律具有相似性，同步性較好。雖兩者集水面積相差懸殊，但是兩者水文特性基本一致。從計算結(jié)果來看，該方法29年一遇(P=3.4%)的設計成果(136 m3/s)與1996年調(diào)查值(107m3/s)相比，比調(diào)查值大21.3%，其成果較合理，切合實際。因此，建議采用洪峰模數(shù)法計算成果，作為本次艾維爾溝設計依據(jù)。

4.4 天然狀況下阿拉溝引水渠首設計洪水過程線計算

阿拉溝引水渠首天然狀況下設計洪水過程線借用阿拉溝水文站1996年7月18日3∶00至7月21日3∶00(最大洪峰流量為490 m3/s)實測洪水過程，按同倍比放大方法計算，結(jié)果見圖3。

圖3 天然狀況下阿拉溝引水渠首設計洪水過程線圖

5 結(jié) 語

本文主要對阿拉溝渠首參證站和巡測站的設計洪峰流量進行計算，并采用洪峰模數(shù)法、長短系列訂正法和洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合法對巡測站設計洪峰流量進行比選對比，最終確定選用的比選結(jié)果和方法。通過對渠首的設計洪水進行計算和分析，在為同類渠首的洪水計算提供設計依據(jù)的同時，也為其他渠首洪水計算起到了一定的指導作用。結(jié)合工程建成后的運行，該計算與分析的成果是可靠的。