柯克牙河流域设计洪水计算方法及水文资料“三性”分析

苟树生

(新疆阿克苏水文勘测局，新疆 阿克苏 843000)

1 流域概况

柯克牙河流域位于新疆温宿县库玛拉克河和台兰河之间，发源于天山托木尔峰南麓，出山口后由北向南穿越戈壁砾石带，在红旗坡农场六队转向东南，过红旗坡农场七队、十队，到实验林场汇入卡尔斯亚洪沟，向南跨越多浪渠由乔格塔电站旁汇入阿克苏河，全长82 km。柯克牙河是阿克苏地区红旗坡农场、实验农场的主要供给水源。柯克牙河流域地势为北高南低, 西高东低, 全区分北部山区和南北洪积平原两部分。西南天山南脉的托木尔峰等支脉横贯于流域的北部，山系在古生代强烈褶皱的基础上受第三纪和第四纪巨大造山运动而逐渐隆起，地形复杂，海拔3 500 m以上为冰川带，冰川面积为109.15 km2，海拔3 000～3 500 m为高山终年积雪带，海拔2 500～3 000 m中山区分布着云杉等树种, 海拔1 500～2 500 m为中低山荒漠区，南部洪积平原区海拔108 2～1 500 m之间。出山口后为冲积、洪积扇区，植被稀少，多为砾石戈壁和少量宜耕地，温宿县迎宾路以南为平原区，主要为灌区和宜垦荒地。

柯克牙河是一条山溪性河流，洪水的成因有二：(1)山区降雨，特别是中低山区大降雨形成暴雨洪水，(2)随着气温逐渐上升季节性积雪、永久积雪及冰川融化形成消融洪水。按成因分析柯克牙河洪水可分为三类：第一类是暴雨型洪水；第二类是冰雪消融洪水；第三类是暴雨、冰雪消融混合型洪水。为了提高阿克苏市东城洪水防御能力，本次洪水水文分析计算主要是柯克牙河及依来克洪沟汇合口以下卡尔斯亚洪沟，工程场址主要河段红旗坡农场至桥格塔电站作为洪水水文分析计算的重点。

2 设计洪峰流量计算方法分析

柯克牙河无长期水文站资料，在1956年9月23日-1958年1月1日，仅有14个月不完整资料。由于该站安设水尺太多，相邻之间高程不衔接故水位流量关系较差；1957年7月15日后至8月19日为洪水期断面冲刷严重，水位变化无常，在这段时间仅有二个测点，不能控制整个洪水期河道变化情况，因此，从7月15日至8月19日无法定线推流，且洪水资料缺测，故属短缺资料区，为准确推求设计洪峰流量，计算选用3种方法进行相互验证、校核。

2.1 地区经验公式法

计算公式(俞高明编《桥梁水力水文》整理)如下：

Q=CFn

式中：Q为设计站多年平均洪峰流量(m3)；F为设计站流域面积(km2)；C、n为计算参数，见表1参数C n 参考表；

表1 参数C n 参考表

注：本表根据俞高明编《桥梁水力水文》整理

由表1可知，天山南坡地区，确定C值为2.84，n值为0.60。根据1:10万比例尺地图量算柯克牙河出山口以上集水面积497.5k m2，依来克洪沟调查断面以上集水面积256.5 km2，红旗坡农场(柯、依)汇合口以上积水面积754 km2。计算得到调查断面多年平均洪峰流量。借用柯克牙河相邻流域台兰河台兰水文站统计参数，得到柯克牙出山口、依来克洪沟、红旗坡农场(柯、依)汇合口设计洪峰流量。见表2。

表2 地区经验公式法设计洪水计算成果表

2.2 洪峰模数法

选取相邻流域台兰水文站的设计流量，计算不同频率洪峰流量的洪峰模数，根据下式求得柯克牙河出山口、依来克洪沟、红旗坡农场(柯、依)汇合口不同频率设计洪峰流量。各节点洪峰模数法设计洪峰流量成果见表3。

计算公式：

Qm=M×F

式中：Qm为设计站洪峰流量(m3/s)；M为参证站洪峰模数(m3/s/km2)；F为设计站集水面积(km2)

表3 洪峰模数法设计洪峰流量成果表

图1 地区洪峰流量模比系数综合频率曲线图

2.3 地区洪峰流量模比系数综合频率曲线法

本次计算应用同台兰水文站、破城子水文站、卡木鲁克水文站、卡拉苏水文站实测洪峰流量样本编制的地区洪峰流量模比系数综合频率曲线(见图1)，求得Kp值，参证站洪峰资料选取年份为建站观测至2016年资料。用地区模比系数综合频率曲线法，推求设计站设计不同频率洪峰流量，具体做法如下：

(1)分别计算各参证站洪峰流量系列模比系数。

(2)将各参证站洪峰流量系列模比系数经验点绘在同一张概率格纸上。

(3)最大法：按上述1～2步做法，在配线时取经验点据上外包线，得到最大值法配线，选取最大值成果。

推求调查断面设计洪峰流量，公式如下：

QP=KP/Kd·Qd；

式中：QP为设计洪峰流量(m3/s)；KP为设计洪峰流量模比系数；Qd为调查历史洪水洪峰流量(m3/s)；Kd为调查洪水洪峰流量模比系数。

用调查洪峰流量模比系数与设计频率洪峰模比系数的比值乘以调查洪水洪峰流量，得到设计频率洪峰洪量。

根据2017年调查洪峰流量，实测系列最大洪峰流量重现期为60年一遇,调查洪峰流量模比系数 Kd为4.93。根据公式计算,得到柯克牙出山口、依来克洪沟、红旗坡农场(柯、依)汇合口不同设计频率的洪峰流量。洪峰流量模比系数地区综合频率曲线见图1，洪峰流量模比系数Kp值，设计洪峰流量计算成果见表4。

2.4 设计成果推荐与合理性检查

3种方法计算出柯克牙出山口、依来克洪沟、红旗坡农场(柯、依)汇合口设计洪峰流量成果(见表5)。

3 水文资料“三性”分析

3.1 洪水资料可靠性、一致性分析

由于柯克牙河只有1957-1958年14个月完整实测资料,不能够代表柯克牙河年内洪水发生时间的规律,现选择自然地理概况相似，气候条件相近的邻近河流台兰河台兰水文站为参证站，来说明柯克牙河年内洪水发生时间的一般规律，根据台兰站61年实测资料分析，洪水发生时间一般在5—8月，春汛一般发生在3月底至4月中旬，个别年份4月初开始发生洪水，8月下旬以后洪水基本消退，少数年份延续到9月中旬。其中年最大洪峰流量在7月份发生的频次最高，达47.5%。现以台兰水文站1956～2016年的洪水资料做代表性、一致性分析。

3.1.1 资料系列可靠性分析

本报告选用的参证站台兰水文站的洪峰流量资料样本，从测验、资料整编和水文数据库的建立均按行业规范和国家标准严格执行，选用水文站测验技术和测验条件具有较高精度和水平，各项资料均经新疆维吾尔自治区水文水资源局审查汇编，数据载入国家二级水文数据库，资料精度合理，并有较高的可靠性。

3.1.2 资料系列一致性分析

所选用的台兰水文站测验断面无引水、分流，人为及天然分洪滞洪措施；资料系列具有一致性。

表4 地区洪峰流量模比系数综合频率曲线法设计洪峰流量计算成果表 /m3/s

表5 3种方法计算设计洪峰流量成果表 /m3/s

3.2 洪水资料代表性分析

台兰水文站1956-2016年，已有61年实测洪峰流量系列,对洪峰流量系列进行代表性分析，方法如下：

3.2.1 长短系列统计参数分析

台兰水文站年最大洪峰流量资料截止年份(2016)向前推，根据矩法估算的不同长度系列统计参数分析对照表，从表6中可见，随着系列的增加，CV值与均值逐渐趋于稳定，台兰站当系列长度达到46年以上时，系列统计参数基本趋于稳定；表6中台兰水文站长短系列统计参数，台兰站洪峰流量资料系列代表性较好。

3.2.2 洪峰流量模比系数差积曲线分析

从图2可明显看出台兰河包含的丰枯周期很完整。从1956—1972年属洪峰流量趋于减小段，1973—1974年属洪峰流量趋于增大段，1975—1987年属洪峰流量趋于减小段，1988—1992年属洪峰流量趋于增大段，1993—1998年属洪峰流量趋于减小段，1999—2002年属洪峰流量趋于增大段，2003—2006年属洪峰流量趋于减小段，2007—2010年属洪峰流量趋于增大段，2011—2016年属洪峰流量趋于减小段，但大多数年份的流量高于其多年平均值， 2003-2006年虽属洪峰流量趋于减小段、但大多数年份的年最大洪峰流量也高于其多年平均值。台兰水文站61年的最大洪峰流量系列中包含较完整的洪水年际变化过程和大、小洪水年份，系列具有一定的代表性。

表6 台兰站洪峰流量长短系列统计参数计算表

图2 台兰站洪峰流量模比系数差积曲线

3.2.3 洪峰流量模比系数累积曲线分析

由台兰水文站洪峰流量模比系数累积平均过程线图3中反映出，台兰站洪峰流量系列在50 a以上时，也就是1966年开始，累积平均过程线逐渐收敛于1而趋于稳定。以上台兰水文站洪峰流量三性分析计算成果比较，说明台兰站洪峰流量系列具有较好的稳定性和代表性。因此，工程场址洪峰流量计算分析的主要参证站为台兰水文站，依据台兰水文站的实测洪峰资料，对柯克牙河洪峰流量计算分析。

图3 台兰站洪峰流量模比系数累积平均曲线

4 结语

柯克牙河流域水资源开发及水利建设有了很大发展，水资源利用程度得到了较大地提高。与此同时，受历史条件等多方面因素制约，柯克牙河上游至今尚无山区调节水库；河堤抗洪能力弱，洪水期频繁发生险情，对阿克苏地区经济建设、城市及人民生命、财产安全构成极大威胁。柯克牙河的洪水问题至今依然十分突出。本次分析计算中，充分利用了本流域实测水文资料，对本河流搜集到的资料做了全面的分析，选用地区经验公式法、洪峰模数法和地区洪峰流量模比系数综合频率曲线法三种方法进行相互验证、校核，计算出了柯克牙出山口、依来克洪沟、红旗坡农场(柯、依)汇合口设计洪峰流量成果。同时对流域水文资料的可靠性、一致性和代表性进行论证，明确了计算分析结果合情合理，为远期该区域水资源合理开发利用及人民群众幸福生活提供了基础依据。

[1]严宇红,沈永平,李宇安，等. 新疆天山南麓柯坪河水文特性与洪水分析. 冰川冻土.2007.(5).158-163.

[2]新疆阿克苏水文勘测局. 新疆阿克苏市卡尔斯亚洪沟防洪工程洪水水文分析计算报告[R].2017.10.