吐魯番市白楊河洪峰流量衰減變化探析

艾力夏提·阿地里

（吐魯番水文勘測(cè)局，新疆 吐魯番838000）

1 概況

白楊河發(fā)源于博格達(dá)山南麓，河流上游支流較發(fā)育，自西向東依次排列有柳樹(shù)溝河、白楊溝河、黑溝、阿克蘇溝和高子溝。山口后穿過(guò)達(dá)坂城盆地峽口處匯合，統(tǒng)稱(chēng)為白楊河。干流自峽口起，向東南穿越長(zhǎng)約30 km的白楊河峽谷段，出峽谷后折向西流，改稱(chēng)達(dá)坂城蘇，部分水量通過(guò)巴依托海渠向西南流15 km，于右岸接納了來(lái)自發(fā)源于恰克馬克山南麓的克爾堿河后折向東南流，穿越紅山溝，又流約38 km在托克遜縣成西側(cè)與阿拉溝河匯合。白楊河水系形狀呈扇形樹(shù)枝狀，主河道長(zhǎng)63 km，峽口以上集水面積2050 km2，河源有較多的冰川及高山積雪。

白楊河艾丁湖橋斷面，位于托克遜縣夏鄉(xiāng)大地村和吐魯番市艾丁湖鄉(xiāng)交界處，工程項(xiàng)目位置（K節(jié)點(diǎn)）示意見(jiàn)圖1。阿拉溝發(fā)源于天格爾山南側(cè)，在托克遜縣城西側(cè)注入了白楊河，再向東經(jīng)過(guò)夏鄉(xiāng)各鄉(xiāng)村注入吐魯番盆地最低點(diǎn)——艾丁湖。白楊河、阿拉溝流域同屬塔里木內(nèi)陸區(qū)的艾丁湖水系，共包括白楊河、阿拉溝、魚(yú)爾溝、祖魯木圖溝、烏斯通溝、柯?tīng)枆A溝六條河溝，徑流形成區(qū)面積約8727 km2。

圖1 白楊河水系示意圖

2 歷史洪水調(diào)查

托克遜縣在歷史上曾多次遭受洪水災(zāi)害。1996年7月20日白楊河、阿拉溝同時(shí)發(fā)生洪水，造成直接經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)1.76億元。2011年5月10日，吐魯番水文局組織技術(shù)人員對(duì)此次洪水在白楊河大地村斷面進(jìn)行了洪水調(diào)查。2013年4月18日，又組織技術(shù)人員在白楊河牧場(chǎng)公路工程艾丁湖橋斷面對(duì)此次洪水進(jìn)行了再次調(diào)查。兩次調(diào)查計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 洪峰流量（比降法）調(diào)查計(jì)算成果表

在白楊河流域中，阿拉溝水文站調(diào)查到實(shí)測(cè)年份以外的大洪水有1953年，洪峰流量為307 m3/s，還有兩次實(shí)測(cè)年份以?xún)?nèi)的大洪水，一次是1996年洪峰流量為490 m3/s，排位第一；第二次是1998年，洪峰流量為321 m3/s，排位第二；1953年洪峰流量307 m3/s，排位第三。1996年白楊河峽口站638 m3/s洪峰流量，在白楊河55年實(shí)測(cè)系列中雖然排位第一，但洪峰量值與阿拉溝排位第二、三位洪水并無(wú)十分顯著偏大；1953年調(diào)查值比1996年、1998年洪峰流量尚小，其意義不大。因此本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，以實(shí)測(cè)年最大洪峰流量為樣本，即白楊河1996年洪水為1956年有水文資料以來(lái)排位第一。

3 設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

3.1 洪峰流量計(jì)算思路

阿拉溝及周邊三條溝都屬同一個(gè)流域，該流域降水一般是從西方入境，按產(chǎn)匯流的理論則應(yīng)從源頭逐漸至出山口，其各溝基本上是自西而東，隨雨路方向洪峰流量大體上應(yīng)同時(shí)抵達(dá)出山口。雖然各河溝先后稍有差異，但為保證安全起見(jiàn)，則應(yīng)考慮阿拉溝洪峰流量加上魚(yú)爾溝、祖魯木圖溝、烏斯通溝同時(shí)出現(xiàn)洪水疊加的概率。為此直接將各河洪峰流量相加，然后按入城斷面調(diào)查成果，計(jì)算入城斷面處洪峰總坦化損失量，最后計(jì)算出設(shè)計(jì)洪峰流量。白楊河洪峰流量計(jì)算方法與阿拉溝類(lèi)似。

3.2 阿拉溝水文站設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

阿拉溝水文站位于阿拉溝河出山口，至今有完整的55年洪水系列資料，洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率及頻率曲線(xiàn)統(tǒng)計(jì)參數(shù)估算，用連序系列計(jì)算公式（1956年～2010年），計(jì)算公式如下：

式中：n為系列項(xiàng)數(shù)；Pm為按大小順序排位的第m項(xiàng)洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率；xi為實(shí)測(cè)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)；Ki為為模比系數(shù)，采用經(jīng)驗(yàn)法、人工適線(xiàn)確定。

用上述統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算公式初步估計(jì)參數(shù)，將這些參數(shù)作為下一步適線(xiàn)調(diào)整的初始值，然后采用適線(xiàn)法來(lái)調(diào)整上述初步估計(jì)的參數(shù)，以獲得一條與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)擬合良好的頻率曲線(xiàn)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 洪峰流量成果

3.3 白楊河設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

白楊河峽口水文站有32年不連續(xù)實(shí)測(cè)洪峰資料，其中洪水資料系列發(fā)生時(shí)間年份只有14年，不夠進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)。經(jīng)阿拉溝站和白楊河峽口站洪水發(fā)生時(shí)間的對(duì)應(yīng)性分析，兩條河年最大洪峰流量同步發(fā)生年份為7年，占14年實(shí)測(cè)年份的50%，其他年份雖然年最大洪峰流量發(fā)生時(shí)間不同步，但其中一條河發(fā)生最大洪峰流量時(shí)，另一條河也同時(shí)有洪水發(fā)生，說(shuō)明阿拉溝站和白楊河峽口站洪水具有較好同步性。同時(shí)阿拉溝、白楊河同處天山中段，同受天山山區(qū)大尺度天氣過(guò)程影響，河流集水區(qū)，下墊面條件相近，“兩河”洪水具有較相似的物理成因，因此可用阿拉溝和白楊河峽口洪峰流量做相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)R＝0.7639，N＝32通過(guò)信度（0.01）檢驗(yàn)，相關(guān)關(guān)系比較好。其相關(guān)圖見(jiàn)圖2，相關(guān)方程為：Q白楊河＝0.8904Q阿＋8.0364。

圖2 阿拉溝站與白楊河峽口站洪峰流量相關(guān)圖

經(jīng)插補(bǔ)的55年洪水系列資料，用P-Ⅲ型曲線(xiàn)按不連續(xù)系列適線(xiàn)，進(jìn)行頻率分析計(jì)算，統(tǒng)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果見(jiàn)表2。

3.4 洪峰沿程坦化、損失率計(jì)算

根據(jù)白楊河、阿拉溝河歷年洪水資料及調(diào)查分析可知，洪峰在到出山口并與各支流匯合后出現(xiàn)最大洪峰，出山口后進(jìn)入散失區(qū)即沿途大量下滲衰減。為搞清白楊河、阿拉溝河洪峰衰減規(guī)律，在歷史洪水分析的基礎(chǔ)上，選用1996年7月20日特大洪水作為典型洪水，對(duì)洪水衰減進(jìn)行分析研究。洪水衰減原因主要有以下幾方面：

（1）洪水前期區(qū)域內(nèi)極度高溫，長(zhǎng)時(shí)間無(wú)降水，下墊面干枯；

（2）出山口以后，白楊河出山口至托克遜縣城93 km，阿拉溝出山口至托克遜縣城60 km，沿岸無(wú)任何植被；

（3）白楊河、阿拉溝河沿河一帶均為第四紀(jì)沉積層，河床質(zhì)多為礫石和細(xì)沙巖土，極有利于水分下滲；

（4）白楊河、阿拉溝河出山口后即形成較寬漫灘，河槽不明顯，尤其是阿拉溝河，最寬處達(dá)5 km。

綜合以上氣候及下墊面因素，長(zhǎng)距離演進(jìn)、河面寬泛、河床下滲損失嚴(yán)重是洪峰急劇衰減的直接原因。

3.4.1 阿拉溝河洪峰衰減率

以1996年7月20日洪水為例，阿拉溝水文站最大洪峰流量490 m3/s（實(shí)測(cè)），加上魚(yú)爾溝89.4 m3/s（調(diào)查）、祖魯木圖溝90.6 m3/s（調(diào)查）、烏斯通溝137 m3/s（調(diào)查），出山口洪峰流量為807 m3/s。經(jīng)過(guò)36 km沿途下滲損失，到達(dá)賽日墩進(jìn)入白楊河縣城段僅有253 m3/s（調(diào)查），出山口后總衰減率達(dá)69%，平均每公里衰減1.92%。

3.4.2 白楊河洪峰衰減率

1996年7月20日白楊河峽口處調(diào)查到最大洪峰流量為638 m3/s（調(diào)查），區(qū)間后溝內(nèi)有14條山洪溝共加入200 m3/s（調(diào)查），占小草湖斷面洪峰流量的25%；到小草湖段洪峰流量達(dá)811 m3/s（調(diào)查）；經(jīng)過(guò)13 km到巴依托海渠首為699 m3/s（計(jì)算）；在經(jīng)過(guò)46 km到達(dá)白楊河縣城段后僅剩358 m3/s（調(diào)查），出山口后總損失率達(dá)56%，平均每公里衰減1.22%。

3.5 白洋河托克遜縣城段設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

以1996年7月20日特大洪水洪峰的沿程衰減過(guò)程和歷史洪水洪峰衰減過(guò)程為依據(jù)，并將洪峰衰減率直接移置到各工程節(jié)點(diǎn)，最后求出經(jīng)損耗后進(jìn)入托克遜縣城段設(shè)計(jì)洪水的洪峰流量。工程節(jié)點(diǎn)洪峰經(jīng)疊加后設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表3。

表3 白楊河、阿拉溝各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水洪峰流量計(jì)算成果表

3.6 白楊河大地村設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

白楊河大地村斷面位于夏鄉(xiāng)東南部大地買(mǎi)里村，距離托克遜縣城以下12.4 km。以白楊河、阿拉溝匯合后的設(shè)計(jì)洪峰流量為依據(jù)，以12.4 km向下游逐級(jí)推算即可得到白楊河大地村斷面設(shè)計(jì)洪峰流量。本次成果分別使用兩個(gè)河道洪峰衰減系數(shù)計(jì)算，兩種計(jì)算成果相差不大，為偏于安全考慮本次推薦采用使用白楊河河道衰減率推算成果。工程場(chǎng)址處50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為436 m3/s，與1996年洪水調(diào)查成果428 m3/s偏大1.8%，可確定計(jì)算結(jié)果是合理的。計(jì)算成果見(jiàn)表4。

4 白楊河艾丁湖橋斷面設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

白楊河艾丁湖橋斷面距白洋河穿越斷面15.4 km。根據(jù)工程場(chǎng)址洪水調(diào)查資料，計(jì)算其洪峰流量沿程每公里相對(duì)衰減損失率：

式中：Ki為洪峰流量沿程每公里相對(duì)衰減損失率；Qms為上游調(diào)查斷面洪峰流量，m3/s；Qmx為下游調(diào)查斷面洪峰流量，m3/s；LSx為上下游調(diào)查斷面之間的距離，km。

經(jīng)計(jì)算，洪峰流量衰減損失率為4.7%。

設(shè)計(jì)斷面洪峰流量計(jì)算公式如下：

式中：Qgp為設(shè)計(jì)斷面設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；Qsp為上游調(diào)查斷面設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；KP為洪峰流量沿程每公里相對(duì)衰減損失率；LSg為設(shè)計(jì)斷面距上游站距離，km。

以15.4 km向下游逐級(jí)推算即可得X059岔口到恰特喀勒鄉(xiāng)牧場(chǎng)公路工程白楊河艾丁湖橋斷面設(shè)計(jì)洪峰流量，計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 白楊河艾丁湖橋斷面設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果表

經(jīng)過(guò)洪水衰減研究，確定白楊河1996年大洪水為50年一遇，工程場(chǎng)址處50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為120 m3/s，與1996年洪水調(diào)查成果118 m3/s偏大1.6%，可以認(rèn)為此次設(shè)計(jì)成果合理。

5 結(jié)語(yǔ)

月20日白楊河和支流阿拉溝洪水為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其沿程衰減及變化的討論，推算出其沿程不同段的洪水衰減率，進(jìn)而推算出白楊河艾丁湖橋斷面50年一遇設(shè)計(jì)洪峰為120 m3/s，其計(jì)算方法和思路可供同類(lèi)洪水衰減分析進(jìn)行參考借鑒。