天山南坡柯坪河设计洪水分析

2014-10-25赵宏涛

陕西水利 2014年4期

赵宏涛

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院新疆乌鲁木齐 830000）

1 流域概述

柯坪河流域位于新疆天山南脉黑尔塔格山（又名柯尔塔格山）南麓，地理位置介于东经77°00′～79°05′，北纬40°20′～40°55′之间，行政隶属阿克苏地区柯坪县。流域北部以黑尔塔格山为界与托什干河相邻，流域南部以孔卡山为分水岭与塔里木盆地西北边缘相接，流域西部与恰克马克河、布谷孜河相望，柯坪河经出山口后由西向东穿过柯坪县，最后汇入阿恰河。

柯坪河流域地势北高南低、西高东低，全流域分北部山区和南部盆地两部分。北部黑尔塔格山海拔在3400m左右，无常年积雪，基本无植被覆盖，为陡峭山区；南部为由南向东南倾斜的盆地，高程在1600m～2400m之间，地面多为砾石戈壁覆盖。

柯坪河主要是由泉水汇集而成[1]，但其出山口以上流域面积（4428km2）较大，又值暴雨高值区，当上游山区发生暴雨时，时常产生暴雨洪水，危及下游柯坪县城安全，但该流域无水文站长期控制，其设计洪水一直无明确统一的计算成果。

2 气候、暴雨及洪水特性

2.1 气候特性

柯坪河流域地处塔里木盆地的西北边缘[2]，是西南天山支脉南麓中低山区。柯坪河流域气候特点是西、南部山区冬暖夏凉热量不足，无霜期较短，冬季有逆温带，山区无终年积雪；流域中部盆地为温带干旱区，光热资源丰富，日照充足，多风沙，降水稀少，蒸发较大，气候干燥，属于典型的北温带大陆性干旱气候。

2.2 降水及暴雨特性

柯坪河流域地势北高南低、西高东低，受地形影响，流域内年降水量地区分布较不均，由西北山区向东南盆地逐渐减少。据柯坪气象站1960年～2009年降水资料统计，多年平均降水量为93.6mm，最大1日降雨量为73.8mm（2009.8.19）；降水主要集中在夏秋季节，连续最大5个月降水量出现在5月～9月，占多年平均降水量的83.7%；7月份是降水最大的月份，占年降水量23.1%；冬季11月是降水量最小的月份，占年降水量0.4%。

柯坪河流域位于黑尔塔格暴雨高值区，暴雨主要发生在5月～9月，根据柯坪气象站的降雨资料统计，单次暴雨总历时一般不超过24小时，且大暴雨在9月份也多次发生。

2.3 洪水特性

柯坪河洪水按成因可分为暴雨型洪水和季节性融雪型洪水[3]。其中春末夏初的4月～5月主要为积雪消融洪水，而夏秋季节6月～9月以暴雨型洪水为主。柯坪河较大的洪水均为暴雨型洪水，洪水过程多则几日，短则十几个小时[4]。根据《柯坪县志》反映及实地探访，柯坪河暴雨洪水灾害每年均有不同程度的发生。

图1 柯坪河出山口以上水系分布图

表1 各参证水文站及洪水资料收集情况表

3 水文测站及实测洪水资料

柯坪河出山口附近曾设有柯坪水文站，但由于测站断面控制条件差，该站仅观测一年即撤消，无法利用本流域水文站洪水资料进行设计洪水计算。

本文在气候及下垫面条件相似的基础上，分别选用流域面积相近的布谷孜河阿俄水文站、恰克马克河恰其嘎水文站和台兰河台兰水文站作为参证站，进行设计洪水计算。各参证水文站及洪水资料收集情况见表1。

4 洪水调查

4.1 柯坪河洪水调查

阿克苏水文水资源勘测局于1972年对柯坪河进行了历史洪水调查，1996年对1996年“8·21”特大洪水进行了调查，2010年又对2010年“9·18”大洪水进行了调查，各次调查断面均位于柯坪河出山口附近，调查成果如表2[3]所示。

表2 柯坪河洪水调查成果表

另外据《柯坪县志》反映，柯坪河在1982年发生了较大洪水，在出山口断面处洪峰流量为500m3/s，出于该场洪水未经水利部门核实，真实与否不易确定，因此仅作为参考，不列入表2中。

利用阿克苏水文局的洪水调查成果，并参考有关历史洪水调查、历史洪水访问、历史洪水文献及《柯坪县志》，分析以上调查洪水的重现期，具体如下：

柯坪河1996年洪水洪峰流量（1130m3/s）为历史调查洪水中的最大值，若考虑历史洪水考证期，其重现期大于等于102年，重现期取整为大于等于100年。

柯坪河2010年的暴雨洪水洪峰流量（730m3/s）在调查洪水中排第2位，其重现期取整为50年一遇（即102年/2）。

柯坪河1924年（560m3/s）、1935年（550m3/s）、1971年（542m3/s）调查洪水，其洪峰流量相当，可按同一量级考虑，则在调查期内（1912年～2012年）共有5场洪水大于等于该量级，因此，540m3/s～560m3/s量级洪水重现期取整为20年一遇（即102年/5）。

柯坪河2012年调查洪水洪峰流量（500m3/s）在调查洪水中排第6位，其重现期取整为17年一遇（102年/6）；若假设《柯坪县志》中描述的1982年洪水真实存在，且其洪峰流量为500m3/s，则在调查期内共有7场洪水洪峰流量大于等于500m3/s，其重现期取整为14年一遇（102年/7）。

柯坪河1912年（450m3/s）、1947年（400m3/s）调查洪水洪峰流量相当，可按同一量级考虑，若假设1982年洪水真实存在，且大于该量级，则在调查期内（1912年～2013年）共有8场洪水大于等于400m3/s～450m3/s，则400m3/s～450 m3/s量级洪水重现期取整为12年一遇（即102年/8）；若不能确定1982年洪水是否存在，或不能确定其量级，则可在1912年～1972年间分析其重现期，在1912年～1972年间共有5场洪水大于等于400m3/s～450m3/s，经分析，其重现期取整也为12年一遇（61年/5）。

柯坪河1972年洪水洪峰流量为300 m3/s，考虑其量级相对较小，不易确定其重现期，不分析其重现期。

综上，柯坪河调查洪水重现期成果见表3。

表3 调查洪水量级重现期分析

4.2 邻近流域洪水调查

原克孜勒苏柯尔克孜自治州水文队在20世纪50年代曾对布谷孜河出山口一带做过历史洪水调查。调查地点位于阿俄水文站附近，调查得洪峰流量为1150m3/s，洪水发生时间为1944年6月。

5 设计洪峰流量

柯坪河流域内没有实测的洪水资料，仅有8场调查洪水资料，经整理分析后可得到5个量级的洪水及其重现期。

依据邻近流域的恰其嘎站、阿俄站、台兰站实测年最大洪峰流量模比系数系列，以及布谷孜河调查洪水洪峰流量的模比系数，采用P-III型曲线按方法二[5]对点群进行适线，区域综合洪峰流量模比系数频率曲线图[6]如图2所示。在定线时，除照顾各水文站点群外，还以柯坪河调查洪水之间的相互关系作为依据，对适线参数进行微调，达到如下控制作用：

图2 区域综合洪峰流量模比系数频率曲线

图3 区域综合洪峰流量模比系数频率曲线

表4 柯坪河出山口设计洪峰流量成果表

（1）频率曲线中，20年一遇洪峰流量的Kp值约为3.10，12年一遇的Kp值约为2.37，两者比值为1.31；柯坪河20年一遇历史洪水调查洪峰流量（540m3/s～560m3/s）与12年一遇历史洪水调查洪峰流量（400 m3/s～450m3/s）的比值在1.20～1.40之间，两比值系数相当。

（2）频率曲线中，50年一遇洪峰流量的Kp值约为4.52，12年一遇的Kp值约为2.37，两者比值为1.90；柯坪河50年一遇历史洪水调查洪峰流量（730m3/s）与12年一遇历史洪水调查洪峰流量（400m3/s～450 m3/s）的比值在1.62～1.83之间。两比值系数较为接近。

（3）频率曲线中，100年一遇洪峰流量的Kp值约为5.65，12年一遇的Kp值约为2.37，两者比值为2.38；柯坪河100年一遇历史洪水调查洪峰流量（1130m3/s）与12年一遇历史洪水调查洪峰流量（400m3/s～450 m3/s）的比值在2.51～2.83之间。两比值系数较为接近，若考虑1130m3/s量级洪水重现期大于100年的可能性，则两比值系数更为接近。

考虑20年一遇历史调查洪水的流量值较为集中，故取由550m3/s（即为542m3/s、550m3/s、560m3/s均值）洪峰值反算得到的均值作为多年平均洪峰流量。查频率曲线，20年一遇洪峰流量Kp值为3.1，反算得到的均值为177.4m3/s，即柯坪河出山口多年平均洪峰流量为177.4m3/s。

将柯坪河出山口多年平均洪峰流量值177.4m3/s，乘以各频率Kp值，可计算得柯坪河出山口设计洪峰流量，成果见表4。

6 合理性分析

按推求的柯坪河出山口洪峰流量均值177.4m3/s，计算柯坪河出山口附近调查分析的5个量级洪峰流量模比系数，并将模比系数点绘在区域综合洪峰流量模比系数频率曲线中，如图3所示，由图可知，本文计算的区域综合洪峰流量模比系数频率曲线，不仅符合区域各水文站洪峰流量模比系数分布，也基本符合柯坪河各调查洪峰流量的分布规律，可认为在现有资料条件下，本文的计算成果是合理的。