拜城縣黑孜河牙克捷水庫徑流分析

艾合買提江·艾木拉

(新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇水文勘測局, 新疆 阿克蘇 843000)

1 概況

拜城縣黑孜河牙克捷水庫樞紐位于黑孜河中上游黑英山下游峽谷段，距下游黑孜(三)水文站39 km，工程集水面積為3 045 km2。工程主要任務(wù)發(fā)電，同時對下游梯級電站進(jìn)行出力補(bǔ)償調(diào)節(jié)。水庫正常蓄水位為1 500 m，相應(yīng)庫容為12 700萬m3，調(diào)節(jié)庫容為10 400萬m3，電站裝機(jī)容量為24 MW，保證出力為6.31 MW，多年平均年發(fā)電量為0.64億kW·h。屬Ⅱ等大(2)型工程。

黑孜河由梅斯布拉克河等6條小支流和3條山洪溝匯合而成[1-2]，該河流由北向南流經(jīng)黑英山鄉(xiāng)和克孜爾鄉(xiāng)，最終流入克孜爾水庫。

2 水利工程分析

2.1 壩址上水利工程

黑孜河上水利工程主要為上游黑英山鄉(xiāng)黑孜河支流上3處灌溉渠首，均為無壩引水[3-4]。其中喀拉果勒渠首位于拜城縣黑英山鄉(xiāng)八大隊，設(shè)計流量為1.18 m3/s，加大流量為1.50 m3/s，控制灌溉面積為7.67 km2[5]。阿吞庫西渠首位于黑孜河支流阿勒吞闊什河出山口下游段，東岸樞紐設(shè)計引水流量為5.8 m3/s，設(shè)計加大流量為 7.2 m3/s。西岸灌區(qū)設(shè)計引水流量為1.5 m3/s。亞曼亞渠首位于黑孜河支流瓊果勒河出山口段，渠首設(shè)計流量為 3.6 m/s，加大流量為4.6 m/s，控制灌溉面積為32 km2。

2.2 壩址下與黑孜(三)水文站區(qū)間水利工程

黑孜河西干渠引水渠首位于黑孜河右岸水庫壩址下游30 km處[6]，距黑孜(三)水文站9 km。主要控制克孜爾鄉(xiāng)、賽里木鎮(zhèn)(牧業(yè)村)累計43.3 km2灌溉面積，現(xiàn)狀引水流量為8 m3/s。

2.3 計算節(jié)點

黑孜河屬無水文資料區(qū)，上游有多個水利工程，要建設(shè)黑孜河牙克捷水庫，需對河道徑流進(jìn)行分析。本次水文徑流分析計算是為黑孜河上擬建水庫及下游水庫電站服務(wù)。通過黑孜河上阿合塔西水文站、黑孜(一、二)水文站、黑孜(三)水文站、喀拉果勒渠首、阿吞庫西渠首、亞曼亞渠首、西干渠引水渠首等計算節(jié)點來計算。工程分布及間距見圖1。

圖1 黑孜(二)水文站設(shè)計年徑流量頻率曲線示意

圖1 牙克捷水庫建設(shè)工程計算節(jié)點示意

3 徑流特征及徑流資料還原

3.1 徑流特征

黑孜河源山體陡峻、植被較少，降水較多，山區(qū)年降水量為93.3～283.2 mm，并隨海拔高程增加而增加[7]。徑流主要有冰雪融水和暴雨及地下水補(bǔ)給[8]。汛期主要以冰雪融水補(bǔ)給為主，遇暴雨洪水補(bǔ)給期間，流量日變化較大[9]，冬季以冰雪融水與地下水補(bǔ)給為主，流量日變化較小。徑流的年際變化相對較大，夏季(6-8月)占54.5%。

3.2 徑流資料還原

為保障水庫壩址處徑流推算精度，將水庫上游的阿合塔西水文站、黑孜(一)水文站、黑孜(二)水文站、黑孜(三)水文站徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行還原計算，并將徑流數(shù)據(jù)還原后推算至黑孜(二)水文站。

3.2.1阿合塔西水文站徑流還原

阿合塔西水文站具有1956年10月—1959年4月完整的徑流資料。該站上游引水量為黑英山鄉(xiāng)灌溉用水，年平均灌溉引水量為0.40億m3，灌溉用水將產(chǎn)生部分回歸水匯入河道，回歸系數(shù)取0.3，用水系數(shù)取0.7。阿合塔西水文站距下游黑孜水文站30 km。阿合塔西水文站徑流資料還原后推算至黑孜水文站按下式進(jìn)行計算。

Q黑孜(二)=Q阿合塔西+Q黑英山×0.7+Q區(qū)間

(1)

通過計算可將徑流資料推算至黑孜(二)水文站。

按公式計算：

(2)

式中：

F——區(qū)域總面積，km2。

式中相關(guān)參數(shù)及計算結(jié)果見表1，經(jīng)計算，區(qū)間多年平均年徑流量為0.154×108m3。

表1 阿合塔西水文站至黑孜(二)水文站區(qū)間徑流深等值線法計算結(jié)果

3.2.2黑孜(一)水文站、黑孜(二)徑流還原

黑孜(一)水文站具有1959年5月—1964年12月完整的徑流資料。黑孜(一)水文站1965年1月上遷 100 m，更名為黑孜(二)水文站。黑孜(二)水文站徑流系列為1965年1月—1994年3月。兩站相距僅 100 m，區(qū)間無引水工程和水量匯入，徑流資料一致性較好。

兩站上游引水量為黑英山鄉(xiāng)灌溉用水，年平均灌溉引水量為0.60億m3[10]，灌溉用水將產(chǎn)生部分回歸水匯入河道，回歸系數(shù)取0.3，用水系數(shù)取0.7。通過下式進(jìn)行計算將兩站徑流資料還原：

Q還原=Q實測+Q黑英山×0.7

(3)

3.2.3黑孜(三)水文站徑流還原

1994年4月，黑孜(二)水文站下遷20 km更名為黑孜(三)水文站，黑孜(三)水文站徑流系列為1994年4月—2019年12月。該站上游引水量為黑英山鄉(xiāng)灌溉用水和黑孜(二)水文站至黑孜(三)水文站區(qū)間西干渠引水量，年平均灌溉引水量為0.75億m3，克孜爾鄉(xiāng)多年平均灌溉引水量為1.00億m3。2008—2019年，拜城水利局提供了黑孜(三)水文站以上4個渠首年引水量(見表2)。

表2 2008—2019年4個渠首年引水量 萬m3

黑英山鄉(xiāng)灌溉用水將產(chǎn)生部分回歸水匯入河道，回歸系數(shù)取0.3，用水系數(shù)取0.7。西干渠引水渠首灌溉回歸水在黑孜(三)水文站以下，根據(jù)水量平衡原理[11]，直接疊加引水量。黑孜(二)水文站至黑孜(三)水文站之間有產(chǎn)流區(qū)。通過下式進(jìn)行計算：

Q黑孜(二)=Q黑孜(三)+Q黑英山×0.7+Q克孜爾鄉(xiāng)-Q區(qū)間

(4)

通過公式將徑流資料推算至黑孜(二)水文站，經(jīng)計算，區(qū)間多年平均年徑流量為0.282×108m3(相關(guān)參數(shù)及計算結(jié)果見表3)。

表3 黑孜(二)水文站至黑孜(三)水文站區(qū)間徑流深等值線法計算

4 參證站的選用

阿合塔西水文站位于水庫壩址上游11 km處，黑孜(三)水文站位于水庫壩址下游39 km處，黑孜(一)水文站位于水庫壩址下游19 km處，黑孜(二)水文站在黑孜(一)水文站上游100 m處，相對于黑孜(三)、黑孜(一)水文站更接近水庫壩址，資料系列最長。本次徑流分析計算，將阿合塔西、黑孜(一)、黑孜(三)水文站徑流資料還原到黑孜(二)水文站，以黑孜(二)水文站為參證站，對工程場址處徑流進(jìn)行分析計算。

4.1 參證站設(shè)計年徑流

經(jīng)插補(bǔ)展延后，黑孜(二)水文站有1956—2019年共計64 a連續(xù)的實測徑流資料，采用頻率曲線法對參證站進(jìn)行設(shè)計年徑流量計算。

該站年徑流系列在運(yùn)用矩法對系列統(tǒng)計參數(shù)估算的基礎(chǔ)上，用適線法選配P-Ⅲ型頻率曲線推算設(shè)計年徑流量。適線時，在擬合點群趨勢的基礎(chǔ)上，側(cè)重考慮平、枯年的點據(jù)。參證站1956—2019年年徑流量頻率曲線見圖2，年徑流統(tǒng)計參數(shù)及設(shè)計年徑流量成果見表4。

表4 黑孜(二)水文站年徑流統(tǒng)計參數(shù)及設(shè)計年徑流量成果

4.2 區(qū)間徑流量計算

工程壩址至黑孜(二)水文站區(qū)間有產(chǎn)流區(qū)，黑孜(二)水文站以上控制面積為3 342 km2[12]，黑孜(二)水文站到工程壩址區(qū)間產(chǎn)流面積為258 km2，區(qū)間河道距離約19 km。工程壩址至黑孜(二)水文站區(qū)間產(chǎn)流區(qū)的設(shè)計徑流量分別采用水文比擬法、徑流深等值線法進(jìn)行徑流分析計算[13]。

1) 水文比擬法

選用黑孜(二)水文站作為參證站進(jìn)行多年平均年徑流量的推求。黑孜(二)水文站與水庫壩址區(qū)間年徑流量按下式計算：

W設(shè)=(F設(shè)/F參)·W參

(5)

式中：

W設(shè)——設(shè)計站年徑流量或多年平均年徑流量，m3；

W參——參證站年徑流量或多年平均年徑流量，m3；

F設(shè)、F參——設(shè)計站和參證站的集水面積，km2。

經(jīng)量算，黑孜(二)水文站集水面積為3 342 km2，區(qū)間集水面積為258 km2，黑孜(二)水文站64 a平均年徑流量3.93×108m3，計算得區(qū)間多年平均年徑流量為0.303×108m3。

2) 徑流深等值線法

區(qū)域多年平均年徑流量的計算，在1∶250 000電子地圖上繪制多年平均徑流深等值線圖，劃出本區(qū)域范圍，量算等值線間的面積，采用面積加權(quán)法求得本區(qū)域多年平均徑流深。徑流深等值線圖中區(qū)間的集水面積由工程場址量算至黑孜(二)站，按公式計算：

(6)

式中：

F——區(qū)域總面積，257.9 km2。

計算得區(qū)間多年平均年徑流量為0.045 1×108m3。

3) 區(qū)間徑流采用成果

區(qū)間雖然與黑孜(二)水文站在同一河內(nèi)，但是降雨量差別較大，加之黑孜(二)水文站集水面積與區(qū)間集水面積相差也比較大，所以，不考慮降雨量修正的水文比擬法計算成果與區(qū)間實際情況有較大差距。采用由阿克蘇水文勘測局繪制的1956—2019年渭干河流域多年平均徑流深等值線圖，所得成果比比擬法更為可靠，因此，推薦徑流深等值線法計算成果。

5 壩址天然條件下多年平均徑流量

工程壩址斷面以上流域面積為3 045 km2，黑孜(二)水文站以上流域面積為3 342 km2。同樣，工程壩址處設(shè)計多年平均徑流量分別采用水文比擬法、徑流深等值線法、用參證站多年平均徑流量減去區(qū)間多年平均徑流量3種方法，進(jìn)行徑流分析計算。

5.1 水文比擬法

計算方法同前，采用公式(5)，計算得壩址處多年平均年徑流量為3.58×108m3。

5.2 徑流深等值線法

計算方法同前，采用公式(6)，計算得壩址處多年平均年徑流量為3.87×108m3(計算結(jié)果見表5)。

表5 壩址處徑流深等值線法計算

5.3 參證站多年平均徑流量減去區(qū)間多年平均徑流量計算

黑孜(二)水文站1956—2019年64 a多年平均徑流量3.93×108m3，減去工程壩址至黑孜(二)水文站區(qū)間徑流量0.045 1×108m3，得到工程壩址處多年平均徑流量為3.88×108m3。

5.4 壩址處徑流采用成果

壩址以上流域雖然與黑孜(二)水文站在同一河內(nèi)，但是降雨量情況有較大差別，黑孜(二)水文站集水面積與壩址以上集水面積相差雖然不大，但是用不考慮降雨量修正的水文比擬法計算成果與實際情況有較大差距。徑流深等值線法成果，采用由新疆阿克蘇水文勘測局繪制的1956—2019年渭干河流域多年平均徑流深等值線圖[12]，所得成果較比擬法更為可靠。采用參證站黑孜(二)水文站多年平均徑流量減去區(qū)間多年平均徑流量，得到的壩址處多年平均徑流量，和直接采用徑流深等值線法量算成果基本一致，推薦采用徑流深等值線法量算成果。

5.5 壩址處設(shè)計年徑流年

借用參證站黑孜(二)站不同頻率設(shè)計年徑流的統(tǒng)計參數(shù)：Cv=0.28，Cs/Cv=4.50，求得壩址處設(shè)計年徑流量成果(見表6)。

表6 壩址處年徑流統(tǒng)計參數(shù)及設(shè)計年徑流量成果

6 結(jié)語

通過分析探討可知，復(fù)雜河流下無水文資料的徑流計算選用參證站和徑流資料還原很重要，經(jīng)過多種計算方法比較，徑流深等值線法較科學(xué)，考慮到安全性推薦用較大的徑流量，水庫壩址處多年平均徑流量為3.87×108m3。為保證工程科學(xué)設(shè)計，需在壩址處開展前期較系統(tǒng)的水文觀測。為水庫建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。