吐鲁番市白杨河洪峰流量衰减变化探析

艾力夏提·阿地里

（吐鲁番水文勘测局，新疆 吐鲁番838000）

1 概况

白杨河发源于博格达山南麓，河流上游支流较发育，自西向东依次排列有柳树沟河、白杨沟河、黑沟、阿克苏沟和高子沟。山口后穿过达坂城盆地峡口处汇合，统称为白杨河。干流自峡口起，向东南穿越长约30 km的白杨河峡谷段，出峡谷后折向西流，改称达坂城苏，部分水量通过巴依托海渠向西南流15 km，于右岸接纳了来自发源于恰克马克山南麓的克尔碱河后折向东南流，穿越红山沟，又流约38 km在托克逊县成西侧与阿拉沟河汇合。白杨河水系形状呈扇形树枝状，主河道长63 km，峡口以上集水面积2050 km2，河源有较多的冰川及高山积雪。

白杨河艾丁湖桥断面，位于托克逊县夏乡大地村和吐鲁番市艾丁湖乡交界处，工程项目位置（K节点）示意见图1。阿拉沟发源于天格尔山南侧，在托克逊县城西侧注入了白杨河，再向东经过夏乡各乡村注入吐鲁番盆地最低点——艾丁湖。白杨河、阿拉沟流域同属塔里木内陆区的艾丁湖水系，共包括白杨河、阿拉沟、鱼尔沟、祖鲁木图沟、乌斯通沟、柯尔碱沟六条河沟，径流形成区面积约8727 km2。

图1 白杨河水系示意图

2 历史洪水调查

托克逊县在历史上曾多次遭受洪水灾害。1996年7月20日白杨河、阿拉沟同时发生洪水，造成直接经济损失多达1.76亿元。2011年5月10日，吐鲁番水文局组织技术人员对此次洪水在白杨河大地村断面进行了洪水调查。2013年4月18日，又组织技术人员在白杨河牧场公路工程艾丁湖桥断面对此次洪水进行了再次调查。两次调查计算结果见表1。

表1 洪峰流量（比降法）调查计算成果表

在白杨河流域中，阿拉沟水文站调查到实测年份以外的大洪水有1953年，洪峰流量为307 m3/s，还有两次实测年份以内的大洪水，一次是1996年洪峰流量为490 m3/s，排位第一；第二次是1998年，洪峰流量为321 m3/s，排位第二；1953年洪峰流量307 m3/s，排位第三。1996年白杨河峡口站638 m3/s洪峰流量，在白杨河55年实测系列中虽然排位第一，但洪峰量值与阿拉沟排位第二、三位洪水并无十分显著偏大；1953年调查值比1996年、1998年洪峰流量尚小，其意义不大。因此本次设计洪水计算，以实测年最大洪峰流量为样本，即白杨河1996年洪水为1956年有水文资料以来排位第一。

3 设计洪峰流量计算

3.1 洪峰流量计算思路

阿拉沟及周边三条沟都属同一个流域，该流域降水一般是从西方入境，按产汇流的理论则应从源头逐渐至出山口，其各沟基本上是自西而东，随雨路方向洪峰流量大体上应同时抵达出山口。虽然各河沟先后稍有差异，但为保证安全起见，则应考虑阿拉沟洪峰流量加上鱼尔沟、祖鲁木图沟、乌斯通沟同时出现洪水叠加的概率。为此直接将各河洪峰流量相加，然后按入城断面调查成果，计算入城断面处洪峰总坦化损失量，最后计算出设计洪峰流量。白杨河洪峰流量计算方法与阿拉沟类似。

3.2 阿拉沟水文站设计洪峰流量计算

阿拉沟水文站位于阿拉沟河出山口，至今有完整的55年洪水系列资料，洪水的经验频率及频率曲线统计参数估算，用连序系列计算公式（1956年～2010年），计算公式如下：

式中：n为系列项数；Pm为按大小顺序排位的第m项洪水的经验频率；xi为实测洪水变量（i=l+1，…，n）；x为洪水变量均值；Cv为洪水变量变差系数；Ki为为模比系数，采用经验法、人工适线确定。

用上述统计参数计算公式初步估计参数，将这些参数作为下一步适线调整的初始值，然后采用适线法来调整上述初步估计的参数，以获得一条与经验点据拟合良好的频率曲线。计算结果见表2。

表2 洪峰流量成果

3.3 白杨河设计洪峰流量计算

白杨河峡口水文站有32年不连续实测洪峰资料，其中洪水资料系列发生时间年份只有14年，不够进行插补延长。经阿拉沟站和白杨河峡口站洪水发生时间的对应性分析，两条河年最大洪峰流量同步发生年份为7年，占14年实测年份的50%，其他年份虽然年最大洪峰流量发生时间不同步，但其中一条河发生最大洪峰流量时，另一条河也同时有洪水发生，说明阿拉沟站和白杨河峡口站洪水具有较好同步性。同时阿拉沟、白杨河同处天山中段，同受天山山区大尺度天气过程影响，河流集水区，下垫面条件相近，“两河”洪水具有较相似的物理成因，因此可用阿拉沟和白杨河峡口洪峰流量做相关分析，相关系数R＝0.7639，N＝32通过信度（0.01）检验，相关关系比较好。其相关图见图2，相关方程为：Q白杨河＝0.8904Q阿＋8.0364。

图2 阿拉沟站与白杨河峡口站洪峰流量相关图

经插补的55年洪水系列资料，用P-Ⅲ型曲线按不连续系列适线，进行频率分析计算，统计参数及设计洪峰流量计算成果见表2。

3.4 洪峰沿程坦化、损失率计算

根据白杨河、阿拉沟河历年洪水资料及调查分析可知，洪峰在到出山口并与各支流汇合后出现最大洪峰，出山口后进入散失区即沿途大量下渗衰减。为搞清白杨河、阿拉沟河洪峰衰减规律，在历史洪水分析的基础上，选用1996年7月20日特大洪水作为典型洪水，对洪水衰减进行分析研究。洪水衰减原因主要有以下几方面：

（1）洪水前期区域内极度高温，长时间无降水，下垫面干枯；

（2）出山口以后，白杨河出山口至托克逊县城93 km，阿拉沟出山口至托克逊县城60 km，沿岸无任何植被；

（3）白杨河、阿拉沟河沿河一带均为第四纪沉积层，河床质多为砾石和细沙岩土，极有利于水分下渗；

（4）白杨河、阿拉沟河出山口后即形成较宽漫滩，河槽不明显，尤其是阿拉沟河，最宽处达5 km。

综合以上气候及下垫面因素，长距离演进、河面宽泛、河床下渗损失严重是洪峰急剧衰减的直接原因。

3.4.1 阿拉沟河洪峰衰减率

以1996年7月20日洪水为例，阿拉沟水文站最大洪峰流量490 m3/s（实测），加上鱼尔沟89.4 m3/s（调查）、祖鲁木图沟90.6 m3/s（调查）、乌斯通沟137 m3/s（调查），出山口洪峰流量为807 m3/s。经过36 km沿途下渗损失，到达赛日墩进入白杨河县城段仅有253 m3/s（调查），出山口后总衰减率达69%，平均每公里衰减1.92%。

3.4.2 白杨河洪峰衰减率

1996年7月20日白杨河峡口处调查到最大洪峰流量为638 m3/s（调查），区间后沟内有14条山洪沟共加入200 m3/s（调查），占小草湖断面洪峰流量的25%；到小草湖段洪峰流量达811 m3/s（调查）；经过13 km到巴依托海渠首为699 m3/s（计算）；在经过46 km到达白杨河县城段后仅剩358 m3/s（调查），出山口后总损失率达56%，平均每公里衰减1.22%。

3.5 白洋河托克逊县城段设计洪峰流量计算

以1996年7月20日特大洪水洪峰的沿程衰减过程和历史洪水洪峰衰减过程为依据，并将洪峰衰减率直接移置到各工程节点，最后求出经损耗后进入托克逊县城段设计洪水的洪峰流量。工程节点洪峰经叠加后设计洪水成果见表3。

表3 白杨河、阿拉沟各节点设计洪水洪峰流量计算成果表

3.6 白杨河大地村设计洪峰流量计算

白杨河大地村断面位于夏乡东南部大地买里村，距离托克逊县城以下12.4 km。以白杨河、阿拉沟汇合后的设计洪峰流量为依据，以12.4 km向下游逐级推算即可得到白杨河大地村断面设计洪峰流量。本次成果分别使用两个河道洪峰衰减系数计算，两种计算成果相差不大，为偏于安全考虑本次推荐采用使用白杨河河道衰减率推算成果。工程场址处50年一遇设计洪峰流量为436 m3/s，与1996年洪水调查成果428 m3/s偏大1.8%，可确定计算结果是合理的。计算成果见表4。

4 白杨河艾丁湖桥断面设计洪峰流量计算

白杨河艾丁湖桥断面距白洋河穿越断面15.4 km。根据工程场址洪水调查资料，计算其洪峰流量沿程每公里相对衰减损失率：

式中：Ki为洪峰流量沿程每公里相对衰减损失率；Qms为上游调查断面洪峰流量，m3/s；Qmx为下游调查断面洪峰流量，m3/s；LSx为上下游调查断面之间的距离，km。

经计算，洪峰流量衰减损失率为4.7%。

设计断面洪峰流量计算公式如下：

式中：Qgp为设计断面设计洪峰流量，m3/s；Qsp为上游调查断面设计洪峰流量，m3/s；KP为洪峰流量沿程每公里相对衰减损失率；LSg为设计断面距上游站距离，km。

以15.4 km向下游逐级推算即可得X059岔口到恰特喀勒乡牧场公路工程白杨河艾丁湖桥断面设计洪峰流量，计算成果见表4。

表4 白杨河艾丁湖桥断面设计洪峰流量计算成果表

经过洪水衰减研究，确定白杨河1996年大洪水为50年一遇，工程场址处50年一遇设计洪峰流量为120 m3/s，与1996年洪水调查成果118 m3/s偏大1.6%，可以认为此次设计成果合理。

5 结语

月20日白杨河和支流阿拉沟洪水为研究对象，通过对其沿程衰减及变化的讨论，推算出其沿程不同段的洪水衰减率，进而推算出白杨河艾丁湖桥断面50年一遇设计洪峰为120 m3/s，其计算方法和思路可供同类洪水衰减分析进行参考借鉴。