工程调节下新疆二塘沟河水文计算与分析

赵付勇

(吐鲁番市水利水电勘测设计研究院,新疆 吐鲁番 838000)

1 项目概况

二塘沟发源于东天山博格达山南坡，流域坡度大，水流湍急，干流自源头由西向东流，沿途两岸先后接纳库乌克河、加干苏河及喀日阿依提河后转向南，左岸下游接纳肯克萨依河、希克吉勒嘎河和科斯托郭勒河等较大支流，河流在二塘煤矿村流出山口，山口以上为径流形成区；河流出山口后形成冲洪积倾斜平原，穿过火焰山到达色尔克甫沟沟口，最终汇入艾丁湖。

色尔克甫二闸引水渠首位于二塘沟下游色尔克甫沟出山口处，距二塘沟水库54.2 km。二塘沟水库至色尔克甫二闸引水渠首区间建有二塘沟一闸至二塘沟五闸5座引水渠首，二塘沟水库以上建有二塘沟水文站[1]。

本次色尔克甫二闸引水渠首除险加固设计洪水标准为20 a一遇(P=5%)，校核洪水标准为50 a一遇(P=2%)，根据区间各工程调节情况对其进行水文计算与分析。

2 水文基本资料

二塘沟河设有二塘沟水文站，属国家基本站，观测年份为1992—2011年。煤窑沟与二塘沟均发源于天山南坡中高山区，同处一个气候区内，水汽对流域影响较为一致，流域概况基本相同，河流均呈北南平行流向。二塘沟水文站与煤窑沟水文站集水面积、冰川条数、河流特征及特性较相似。两站20 a径流系列相关分析系数0.895，年径流量过程具有一定同步性，因此选用煤窑沟水文站为径流和洪水参证站，观测年份为1956—1958年、1960—1967年、1969—1972年、1976—2011年[2]。

3 径流计算

3.1 参证站设计年径流量计算

煤窑沟站多年平均年径流量采用56年系列算术平均值0.8083亿m3，径流系列频率计算采用P-Ⅲ型理论曲线，统计参数Cv值为0.22，Cs/Cv比值为2.0，设计年径流量成果如表1所示[3]。

表1 煤窑沟站设计年径流量计算成果

3.2 二塘沟站设计年径流量计算

考虑二塘沟站实测系列仅有20 a，对二塘沟站设计年径流量采用长、短系列订正法和径流深等值线图法分别计算。利用参证站进行长、短系列订正采用公式(1)计算:

(1)

径流深等值线图采用公式(2)计算:

(2)

表2 二塘沟站设计年径流量计算成果

3.3 色尔克甫二闸引水渠首天然来水条件下设计年径流量

天然来水条件下计算色尔克甫二闸设计年径流量，不考虑二塘沟水库蓄水及通过二塘沟一闸向灌区引水和灌区在下游退水的影响，仅考虑河流水量不受人为影响下的变化过程。二塘沟专用站至二塘沟三闸断面以上为径流产流区，二塘沟三闸断面以下为大片戈壁，无支流汇入和支出，为径流散失区。

3.3.1 径流量产流计算

二塘沟一闸与二塘沟专用站区间面积102 km2。占一闸以上控制面积的22.9%，根据多年平均径流深等值线图量算其区间产水量为0.0236亿m3，二塘沟三闸与一闸区间面积60 km2，其区间多年平均产水量为0.0093亿m3。

3.3.2 径流量损失估算

二塘沟河无径流损失试验数据，选用邻近及相似流域玛纳斯河径流损失试验数据，采用其年平均每公里损失率进行估算如式(3)所示:

W损=W上×Kp×Lsg

(3)

式中：W损为设计断面设计年径流量,m3；W上为上游断面设计年径流量,m3；Kp为沿程每公里损失率,km-1；Lsg为设计断面距上游站距离,m。

由各区间水量、损失量叠加得到二塘沟专用站、一闸、三闸和色尔克甫二闸引水渠首天然条件下设计年径流量成果，如表3所示。

表3 二塘沟专用站、一闸、三闸和色尔克甫二闸引水渠首天然条件下设计年径流量成果 亿m3

3.4 色尔克甫二闸引水渠首设计工况下设计年径流量

色尔克甫二闸上游地表水一部分由二塘沟水库蓄水后向下游灌区输送，另一部分由二塘沟一闸渠首引水后输送至下游灌溉区，着重考虑二塘沟水库和下游各灌区用水情况后的设计径流量成果。

水库径流调节计算按淤积30 a后库容进行计算，根据河道P=85%的来水状况，计入死库容209万m3，水库所需调蓄库容为1834.2万m3；P=50%的来水状况，水库所需调蓄库容为 1822.2万m3。

二塘沟一闸引水渠首与二塘沟水库坝址区间面积91 km2，根据平均径流深等值线图量算其区间产水量为0.0194亿m3，采用二塘沟专用站统计参数Cv=0.22、Cs/Cv=2.0，计算其不同保证率设计值。相同方法计算二塘沟一闸和三闸之间洪沟，处于等值线5～50 mm之间属于产流区，三闸至汇合断面区间为大片戈壁，无支流汇入，区间产水量忽略不计。考虑干渠损失，水利用率采用0.98，平均每公里损失率为0.54%。得到色尔克甫二闸引水渠首设计工况下设计年径流量成果，如表4所示。

表4 色尔克甫二闸引水渠首设计工况下设计年径流量成果 万m3

4 洪水计算

以1996年7月20日洪水过程为例，二塘沟河和煤窑沟河洪水成因及洪水过程基本相似，其洪水过程对比如图1所示。

图1 二塘沟站和煤窑沟站1996年最大洪水过程对比

4.1 参证站设计洪水计算

煤窑沟站连续洪峰流量系列有36 a(1976—2011年)，其中洪峰流量把1969年洪水作为特大值处理，得到设计洪峰流量成果，如表5所示。

表5 煤窑沟站设计洪峰流量成果

4.2 二塘沟站设计洪水计算

二塘沟站有1957年、1992—2011年实测洪水资料，加1939年和1991年调查资料，共有23 a洪水系列资料，系列较短。采用洪峰流量模比系数地区综合法和长、短系列订正法计算洪水。两种方法计算结果相近，可取其平均值作为设计洪水计算成果，如表6所示。

表6 二塘沟站设计洪峰流量成果对比

4.3 二塘沟水库洪水调节计算

二塘沟水库位于二塘沟水文站下游1 km处，区间集水面积为11 km2，区间无支流汇入，直接引用二塘沟站设计洪水成果。二塘沟水库大坝下游防洪标准、设计洪水标准、校核洪水标准分别为20 a一遇、50 a一遇、1000 a一遇，其相应最大洪峰流量分别为328 m3/s、461 m3/s和924 m3/s，安全泄量为200 m3/s，其调洪成果如表7所示。

表7 二塘沟水库调洪成果

4.4 色尔克甫二闸引水渠首天然来水条件下设计洪水计算

二塘沟一闸引水渠首与上游二塘沟专用站区间面积102 km2，属暴雨多发区，缺乏洪水资料，出于偏安全考虑采用二塘沟站洪峰模数法计算成果。根据1984年发生的最大洪峰180 m3/s，其相应二塘沟三闸5 a一遇设计洪峰为193 m3/s，推定二塘沟三闸与色尔克甫引水闸区间洪水衰减率按0.91%/km计算。可得色尔克甫二闸引水渠首天然来水条件下设计洪水计算成果,如表8所示。

表8 色尔克甫二闸引水渠首天然来水条件下设计洪水计算成果 /m3·s-1

4.5 色尔克甫二闸引水渠首设计工况下设计洪水计算

主要考虑二塘沟水库洪水调节影响，根据调洪后下泄过程线，叠加二塘沟水库与三闸区间产洪过程，衰减到色尔克甫二闸处，其计算成果如表9所示。

表9 色尔克甫二闸引水渠首设计工况下设计洪水计算成果

5 结 语

色尔克甫二闸引水渠首工程病险严重，需对其进行除险加固。通过选取煤窑沟站为参证站，根据实测和调查洪水资料，采用长、短系列订正法和径流深等值线图法对参证站、二塘沟站的设计径流和设计洪水进行计算，对工程场址处天然来水和工程调节情况下的设计径流和洪水进行分析和计算，最终得到了工程调节下二塘沟河水文计算与分析结果。通过色尔克甫二闸除险加固工程的实施和水闸运行情况来看，该分析和计算成果是合理的。