博爾斯臺河木夫露水庫水文計算與分析

程建云

(第九師聯(lián)拓勘測設(shè)計研究有限公司，新疆 塔城 834600)

1 項目概況

博爾斯臺河位于塔額盆地，為高山峽谷型河流，發(fā)源于塔爾巴哈臺山，最終匯入克爾柯夏溝，河流全長約9 km，其中，峽谷段約8 km，山口以下約1 km，發(fā)源地海拔高程2300 m，河道平均比降為3.15%，有5條支流匯入，呈扇形分布。隨著海拔高程的降低，流域降雨量逐漸減少。峽谷段平均海拔約1550 m，2000 m以上高山區(qū)年降雨量在500 mm以上，濕度大、氣溫低；海拔900～1100 m為山前傾斜平原，植被分布呈半荒漠草原類型。

木夫露水庫位于博爾斯臺河出山口以上約0.9 km處，庫區(qū)高程1035～1043 m，壩址以上集水面積21.1 km2，是一座以灌溉和供水為主、兼顧防洪的小(1)型水庫，壩型為均質(zhì)土壩。水庫總庫容180萬m3，設(shè)計洪水位1071.11 m[1]。

2 水文基本資料

博爾斯臺河無水文觀測站，在出山口引水渠首處設(shè)有水管站，僅有流量觀測數(shù)據(jù)；各參證站實情況如表1所示，其中博爾斯臺河引水渠水管站觀測流量，卡瑯古爾水文站、哈拉依敏水文站及烏什水水文站觀測項目有：水位、流量、懸移質(zhì)輸沙率、水溫、降水、水面蒸發(fā)、氣溫、水質(zhì)監(jiān)測。

表1 各參證站情況

木夫露水庫位于博爾斯臺渠首上游約400 m處，其間無支流匯入或引蓄水工程，故直接采用博爾斯臺渠首斷面的實測徑流資料作為壩址處徑流計算依據(jù)。因1958—1963年屬豐水年，以卡瑯古爾站為參證站，對博爾斯臺河徑流資料插補(bǔ)延長至1958年。

3 徑 流

博爾斯臺河河源區(qū)無永久性積雪或冰川，周期性季節(jié)融雪和降水是徑流的主要組成，徑流量具有季節(jié)性、與降水呈密切正相關(guān)的雙重特點(diǎn)。博爾斯臺河徑流年際變化較大，徑流年內(nèi)分配不均。壩址處設(shè)計年徑流量采用實測值修正法、徑流深等值線法和徑流模數(shù)法三種方法進(jìn)行對比分析[2]。

3.1 實測值修正法

博爾斯臺水管站測流斷面位于引水干渠，內(nèi)部襯砌，采用水位流量關(guān)系推算河道來水。在平、枯水期河道流量較小，干渠斷面穩(wěn)定，測驗數(shù)據(jù)精度較高；洪水期流量較大，受引水渠首規(guī)模限制，棄水無法測量，且此工況下干渠斷面沖淤變化頻繁，測驗精度有限，因此，需進(jìn)行還原計算。

3.1.1 參證站選取

卡瑯古爾河與博爾斯臺河同發(fā)源于塔爾巴哈臺山南坡，河流走向基本一致，水氣條件基本一致，流域下墊面條件類似，且卡瑯古爾站位于河流出山口處，因此，選為徑流修正參證站。

3.1.2 徑流修正

根據(jù)卡瑯古爾水文站連續(xù)實測徑流系列的年內(nèi)平均分配情況對博爾斯臺河洪水期徑流進(jìn)行修正，采用水文比擬法，公式(1)如下。

Q1=(F1/F2)n×Q2

(1)

式中：Q1、Q2為博爾斯臺河、卡瑯古爾河平枯水期徑流，萬m3；F1、F2為博爾斯臺河、卡瑯古爾河集水面積，km2；n為面積修正系數(shù)。

博爾斯臺水管站平枯水期流量測驗精度較高，滿足水文觀測規(guī)范要求，利用平枯水期徑流資料計算n=1.19。參照卡瑯古爾水文站實測多年徑流資料進(jìn)行博爾斯臺河洪水期還原計算，得到博爾斯臺水管站處多年平均徑流量為411萬m3，月徑流成果詳見表2。

3.2 徑流深等值線法

根據(jù)《新疆地表水資源研究》平均徑流深等值線圖，博爾斯臺河所在流域年平均徑流深約為200 mm，木夫露水庫壩址斷面以上集水面積21.1 km2,壩址斷面處多年平均徑流按式(2)計算[3]。

W=P×F×0.1

(2)

式中：W為徑流量，萬m3；F為壩址斷面以上集水面積，km2；P為流域年平均徑流深，mm。計算得水庫壩址斷面處多年平均徑流量為422萬m3。

表2 博爾斯臺河月徑流成果

3.3 徑流模數(shù)法

按照流域相似原則，卡瑯古爾河與博爾斯臺河同發(fā)源于塔爾巴哈臺山北坡，以卡瑯古爾站為參證站，采用徑流模數(shù)法，壩址斷面處多年平均徑流按式(3)計算[3]。

Q=M×F

(3)

式中：Q為流量，m3/s；M為徑流模數(shù)，m3/s·km2；F為集水面積，km2。參證站卡瑯古爾站多年平均流量為3.8 m3/s，集水面積 349 km2，計算得其徑流模數(shù)為10.89 L/(s·km2),將其徑流模數(shù)移置到木夫露水庫壩址斷面，計算得木夫露水庫壩址斷面多年平均流量為0.23 m3/s，多年平均徑流量為724.6萬m3。

3.4 成果比選

徑流深等值線法根據(jù)新疆1956—2000年平均徑流深等值線圖量算，是新疆地區(qū)分析計算無資料地區(qū)河川徑流及地表水資源量的基礎(chǔ)方法，具有相當(dāng)?shù)貐⒖純r值。實測值修正法是針對大流量測驗數(shù)據(jù)失真問題，依據(jù)臨近相似流域徑流年內(nèi)分配的相似性，以兩站連續(xù)實測徑流資料為基礎(chǔ)，以平枯水期實測資料反推得面積修正系數(shù)，再根據(jù)卡瑯古爾河洪水期資料對博爾斯臺河資料進(jìn)行修正計算，成果符合該區(qū)域河流基本特征，且與徑流深等值線法成果基本一致，可認(rèn)定可靠。

3.5 設(shè)計徑流及年內(nèi)分配

將博爾斯臺水管站修正后的年徑流系列資料進(jìn)行頻率曲線分析，理論頻率曲線采用P-Ⅲ型曲線，以矩法估算年徑流系列統(tǒng)計參數(shù)，經(jīng)P-Ⅲ型曲線適線確定，木夫露水壩庫址處頻率計算結(jié)果如表3所示。

表3 木夫露水庫壩址處年徑流頻率計算結(jié)果

木夫露水庫主要任務(wù)是灌溉和飲用供水，設(shè)計代表年的年內(nèi)分配根據(jù)年徑流頻率計算的結(jié)果，按豐、平、枯水年和偏枯水年選擇典型年進(jìn)行縮放。所選典型年主要考慮：①典型年年徑流量應(yīng)接近設(shè)計保證率的年徑流量。②選擇年內(nèi)分配不均，對農(nóng)業(yè)灌溉引、需水不利的年份。③選取若干個滿足以上兩個條件的實測年份，分析比較其月內(nèi)分配，從中選擇資料齊全、年內(nèi)分配不均的年份為典型年。設(shè)計代表年的年內(nèi)分配按所選典型年的年內(nèi)分配同倍比縮放，得到木夫露水庫壩址設(shè)計年徑流及年內(nèi)分配成果如表4所示。

表4 木夫露水庫壩址設(shè)計年徑流及年內(nèi)分配情況 萬m3

4 洪 水

水庫壩址設(shè)計洪峰流量采用推理公式法、水文比擬法和洪峰模數(shù)法進(jìn)行對比分析[4]，計算式如表5所示。

4.1 推理公式法

博爾斯臺河流域設(shè)有167團(tuán)氣象站，其年最大一日降雨量系列基本無突變現(xiàn)象，整體上其模比系數(shù)單累計曲線呈直線，具有較好的一致性；降雨量系列中包含了大、中、小數(shù)據(jù)，變化周期明顯，系列長度達(dá)到28 a以上時，模比系數(shù)累計平均值過程線穩(wěn)定趨近于1，具有較好的代表性。博爾斯臺河集水面積較小，屬小流域洪水，采用式(4)～式(5)計算。

Qn p=0.278φSpF/τn

(4)

(5)

式中：Qm p為設(shè)計洪峰流量，m3/s；φ為洪峰徑流系數(shù)；Sp為設(shè)計雨力；τ為匯流時間，n為暴雨衰減系數(shù)；L為河流長度，km；m為匯流系數(shù)；J為河道平均比降。

4.2 水文比擬法

采用相鄰流域水文分區(qū)內(nèi)有較長洪峰流量系列的卡瑯古爾站為參證站，對其進(jìn)行系列代表性分析。

1993.5.25卡瑯古爾河發(fā)生雨雪混合型洪水，卡瑯古爾站洪峰流量達(dá)到建站以來最大值127 m3/s，洪水洪量達(dá)2921萬m3。經(jīng)調(diào)查，認(rèn)定其為該河歷史上最大洪水，其歷史重現(xiàn)期為60 a。

水文比擬法采用徑流修正相同公式計算，參照臨近流域已有成果計算得洪峰折算系數(shù)為0.106，計算得到木夫露水庫壩址設(shè)計洪峰流量。

4.3 洪峰模數(shù)法

選用卡瑯古爾站為參證站，采用洪峰模數(shù)法計算水庫壩址處設(shè)計洪峰流量，計算公式與模數(shù)法計算徑流一致。

4.4 成果比選

水文比擬法是無資料地區(qū)常用的移植水文相似區(qū)實測資料特性計算設(shè)計洪水的方法，博爾斯臺河與參證站洪水要素高度相似，能較好地移植代表本河流洪水特性，且計算結(jié)果與推理公式法比較接近,其成果可靠。

4.5 設(shè)計洪量

該地區(qū)洪水歷時一般在3～7 d，因此，分析最大1 d、3 d、7 d設(shè)計洪量。以卡瑯古爾站實測歷年最大1 d、3 d、7 d各時段洪量，采用數(shù)理統(tǒng)計法以P-Ⅲ型曲線進(jìn)行適線，采用洪量模數(shù)法計算壩址處設(shè)計洪量，其成果如表6所示。

表5 設(shè)計洪峰流量計算成果

表6 木夫露水庫壩址設(shè)計洪量成果

4.6 水位流量關(guān)系

根據(jù)河床組成、河道變化情況和兩岸植被情況，確定糙率n=0.035,采用穩(wěn)定均勻流公式計算水庫壩址水位-流量關(guān)系曲線，其成果如圖1所示。

圖1 木夫露水庫壩址水位-流量關(guān)系曲線

5 結(jié) 語

為滿足灌溉和飲水供水需求，在博爾斯臺河上擬修建木夫露水庫。根據(jù)特點(diǎn)，通過選取卡瑯古爾水文站、哈拉依敏水文站、烏什水水文站為參證站，對博爾斯臺河水管站實測資料進(jìn)行修正和插補(bǔ)延長，采用不同方法對壩址處設(shè)計徑流和洪水進(jìn)行計算、比選論述和分析，最終得到了博爾斯臺河水文計算與分析成果。通過木夫露水庫建設(shè)與運(yùn)行情況來看，該分析和計算成果是合理的。