无实测资料地区设计洪水计算分析——以乌恰县阿依嘎尔特河为例

邹 伟

(五家渠农六师勘测设计研究有限责任公司，新疆 五家渠 831300)

1 项目概况

1.1 流域概况

阿依嘎尔特河位于乌恰县膘尔托阔依乡境内，自右侧汇入克孜河，汇入口以下12 km处有克孜河卡拉贝利水文站。阿依嘎尔特河全长57 km，流域面积1427 km2，河道平均比降37.6‰，流域形态呈对称型树枝状。多年来两岸堤防多为砂袋临时堆砌，且河床主要由砂卵砾石组成，河道比降较大，洪水期水土流失情况严重。项目区呈现典型的高原干旱大陆性气候特征，多年平均年气温10.6 ℃，多年平均降水量125.9 mm，8月份为最大降水月，多年平均蒸发量为3322.7 mm，春夏季多风，项目区封冻期约3个月，最大冻土深为1.5 m。

1.2 参证站选取

本项目区位于乌恰县，距克孜河卡拉贝利站较近，流域气候基本一致。为满足工程水文分析计算的需要，选取乌恰县气象站、阿依嘎尔特河专用水文站、克孜河卡拉贝利水文站、卡浪沟吕克水文站、布古孜河阿俄水文站和恰克马克河恰其嘎水文站作为参证站[1]，各参证站基本资料有记录年份见表1。

表1 参证站基本资料

2 洪水分析与计算

2.1 洪水成因

项目流域与卡浪沟吕克河洪水成因相近，本文引用参证流域进行说明。冰雪消融、暴雨是卡浪沟吕克河洪水的两个主要成因,洪水主要分为冰雪消融型、暴雨型及消融与暴雨混合型三种类型洪水。

2.2 洪水特性

2.2.1 消融型洪水特性

消融型洪水与气温呈正相关，发生时间集中在4—6月份，洪量大，持续时间较长，涨洪较平缓，峰型多为复式，具有显著日变化，一日一峰，呈锯齿状。卡浪沟吕克水文站1967年5月26日消融型洪水过程线见图1，此类洪水对下游危害程度一般，且春汛及浅山融雪洪水，对下游缓解旱情，具有重要作用。

图1 卡浪沟吕克水文站1967-05-26消融型洪水过程线

2.2.2 暴雨型洪水特性

暴雨型洪水同降水密切相关，多发生在6—9月，尤以7、8月最多。暴雨洪水冲刷能力强，含沙量较大，易造成下游沿线经济损失。短历时暴雨洪水陡涨陡落、峰高量小；长历时降雨洪水峰高量大。1999年7月长历时暴雨洪水过程如图2所示。

图2 卡浪沟吕克水文站1999-07-28暴雨型洪水过程线

2.2.3 混合型洪水特性

本河区混合型洪水应归结为是以暴雨为主要特征的混合型洪水。1996-08-17洪水过程如图3所示，并没有显示出消融洪水的峰形特征。分析可知，暴雨洪水的前期为消融洪水，一旦降雨，山区气温普遍降低，影响积雪消融，则后期基本为暴雨型洪水。

图3 卡浪沟吕克水文站1996-08-17混合型洪水过程线

2.3 洪水系列分析

阿依嘎尔特河专用水文站实测洪水资料年限较短，不具备进行系列代表性分析基本条件，本次通过卡浪沟吕克水文站洪水资料分析阿依嘎尔特河流域所处区域洪水的特性。卡浪沟吕克水文站为国家基本测站，设立至今洪水资料系列可靠性、一致性较好。

2.3.1 洪水系列的插补延长

自1959—2011年共53年间，卡浪沟吕克水文站有49 a完整的实测洪水资料，1968-05—1969-04、1973-05—07、10—12月和1975年全年资料缺测。该站洪水与周边站相关关系不显著，相关系数小于0.7，对上述4 a洪水资料采用多年均值替代法处理，再参与洪水的分析计算[2]。

2.3.2 代表性分析

(1)长短系列统计参数分析。卡浪沟吕克水文站洪峰流量资料见表2，采用矩法，估算并对照表2。可见，随着系列的增加,Cv值与均值逐渐趋于稳定，当系列长度达到40 a以上时，系列统计参数基本趋于稳定。

(2)洪峰流量模比系数累积平均曲线分析。经计算得到卡浪沟吕克水文站洪峰流量模比系数累积曲线如图4所示，当系列长度在40 a以上时，洪峰流量模比系数累积平均值渐趋近于1,表明洪峰流量系列均值稳定性增强。

表2 卡浪沟吕克水文站不同长度系列

图4 卡浪沟吕克水文站洪峰流量模比系数累积平均曲线

(3)洪峰流量模比系数差积曲线分析。卡浪沟吕克水文站洪峰流量模比系数差积曲线见图5，可见卡浪沟吕克水文站53 a的最大洪峰流量系列中包含有较完整的洪水年际变化过程和大、小洪水年群。

图5 卡浪沟吕克水文站洪峰流量模比系数差积曲线

综上，当系列长度在40 a以上时，卡浪沟吕克水文站统计参数已趋于稳定，年最大洪峰流量系列包含了较完整的洪水年际变化过程和大、小洪水年群，系列具有一定的代表性。

2.4 设计洪水计算

2.4.1 历史洪水调查

采用上下水面线对洪痕进行验证和合理性检查。历史洪水调查断面成果见图6、图7。

图6 工程场址历史洪水调查(1号断面)大断面图

图7 工程场址历史洪水调查(2号断面)大断面图

2.4.2 重现期考证

卡浪沟吕克水文站1999年实测最大洪水是1948年以来排位第一的洪水，其洪水考证期为N=2015-1948+1=68 a，根据区域性同步规律，阿依嘎尔特河1999年大洪水考证期同样为68 a。

2.4.3 工程场址断面调查洪水计算

阿依嘎尔特河工程场址洪水调查断面的洪峰流量均采用曼宁公式进行计算，基本公式如式(1)或式(2)所示。

(1)

或

(2)

式中：Qm为洪峰流量，m3/s；i为河段平均水面比降；km为调查河段平均输水率,m3/s；k上、k下为上、下调查断面输水率，m3/s；F为过水断面面积，m2；R为过水断面水力半径，m；k为过水断面输水率，m3/s；n为过水断面河床糙率。推求各断面河床糙率采用式(3)计算。

(3)

式中：nA、nB、nC为上、中、下断面河床糙率；RA、RB、RC为各断面水力半径,m；FA、FB、FC为为各断面面积,m2。计算得到的工程场址调查洪水洪峰流量成果见表3。

表3 工程场址调查洪水洪峰流量计算成果

2.4.4 参证站设计洪水计算

参证站设计洪水计算，采用年最大值选样，选取年最大洪峰流量依照《水利水电设计洪水计算规范》,采用矩法对系列统计参数进行估算，再用适线法选配P—Ⅲ频率曲线，推求系列的统计特征值。计算公式如式(4)所示。

(4)

表4 卡浪沟吕克水文站设计洪水计算成果 m3·s-1

2.4.5 工程场址断面设计洪水计算

根据洪水调查成果和调查河段自然地理条件，以及暴雨洪水的区域性特点，分别采用地区综合频率曲线法和面积比指数法推求工程场址计算断面设计洪水[3]。

(1)地区综合频率曲线法。采用卡拉贝利水文站、卡浪沟吕克水文站、恰其嘎水文站和阿俄水文站历年实测最大洪峰流量资料，计算各站洪峰流量模比系数，对经验分布点进行适线求得该区域的频率曲线，理论频率曲线采用P-Ⅲ型曲线，分别得到不同频率的设计洪峰流量模比系数。为避免中值法确定综合频率曲线导致的均化现象，采用系列点群中心适当照顾高水点据的经验适线法[4]，计算成果见表5。

表5 阿依嘎尔特河工程场址处设计洪水计算成果 m3·s-1

(2)面积比指数法。阿依嘎尔特河与卡浪沟吕克河具有相似的水文气候特征和下垫面条件，具备使用该法的前提条件，因参证站与工程场址断面集水面积基本接近，为此，采用面积比拟来估算阿依嘎尔特河工程场址处设计洪峰流量和设计洪量。计算断面的设计洪峰流量见表6。

两种计算方法的结果较接近，卡浪沟吕克水文站洪水资料系列长，资料可靠。采用面积比拟估算工程场址设计洪水，计算方法简便、成果较合理，且有利于工程安全。因此本次计算成果取后者。

表6 阿依嘎尔特河工程场址处设计洪水计算成果 m3·s-1

3 结 语

通过选取项目流域内乌恰县气象站、阿依嘎尔特河专用水文站、克孜河卡拉贝利水文站、卡浪沟吕克水文站、布古孜河阿俄水文站和恰克马克河恰其嘎水文站作为参证站，采用多种计算方法，对阿依嘎尔特河洪水特性、工程场址设计洪峰流量进行了分析和计算。通过对阿依嘎尔特河洪水进行研究，为河道治理工程提供了设计依据的同时，也对保证流域行洪安全起到了一定作用。