托克逊县阿拉沟水库下游段河道洪水复核分析计算

柴 扬

(吐鲁番市清源水利水电勘测设计院有限公司，新疆 吐鲁番 838000)

1 项目所在地理位置

本次分析河段位于阿拉沟水库下游，分析河段长度为1.6 km 。

阿拉沟水库位于新疆维吾尔自治区托克逊县境内，水库所在位置距阿拉沟出山口以上3.6 km，距托克逊县县城75.3 km，距乌鲁木齐市235.3 km，距南疆铁路鱼尔沟车站5.2 km。水库坝址处的地理坐标为E87°49′20.07″，N42°49′24.74″ 。

图1 地理位置示意图

2 工程所在区域基本情况

2.1 流域概况

阿拉沟河流呈东西走向，最后注入艾丁湖。流域地形西北高、东南低，土壤从河源到出山口依次为高山寒漠- 高山草甸土- 栗钙土-棕钙土。

阿拉沟河艾丁湖水系发源于阿拉沟山北侧及天格尔山南侧，海拔4 400 m。阿拉沟水系有冰川69条，冰川储量0.597 5 km3，冰川面积17.10 km2。阿拉沟水文站海拔881.3 m，集水面积1 842 km2。测站阿拉沟河上游段有三大支流于铁克阿门处交汇，形成阿拉沟干流，三大支流分别为乌拉斯台沟、阿拉沟、夏尔格沟。上游段雨量丰沛，植被长势相对较好，是阿拉沟径流的主要形成区。中段为水库坝址区，即铁克阿门与阿拉沟水文站之间，本段山势普遍偏低，雨水减少，无较大支流汇入，每当遭受较大降雨时，特别容易发生泥石流、山洪等自然灾害。下段由水文站至白杨河间、同时与阿拉沟汇合口之间，水文站以下河流沿途由艾维尔沟、祖鲁木图沟以及乌斯通沟流水汇入后进入灌区，本段河流坡降平缓，泥沙沉积，含沙量减少，以上河长100 km，河道坡度38.7‰，流域平均高程3 080 m。

阿拉沟水库坝址位于阿拉沟水文站下游约800 m处，控制集雨面积1 851 km2。

2.2 气象概况

阿拉沟河主要气候特征为春天气温回升较快，有风天气较多；夏季温度较高，最高气温近50℃；秋季温度降低较快，天气晴天较多；冬季短暂、干冷、风小、雪稀。工程所在位置的气温、降雨量、蒸发量等要素统计均采用坝址下游的阿拉沟水文站提供的观测资料，其它要素借用托克逊县气象站观测资料，如湿度、风、日照等特征值，主要特征值见表1。

表1 主要气象特征表

3 计算水面线推理

3.1 计算原理及方法

本次分析计算采用 HEC-RAS 进行，主要用于非稳定流一维水力、河道系统稳定流水力计算，可进行如防洪堤、水库、桥梁、涵洞的涉水建筑物水面线分析计算，同时可生成分析图表，如复式河道三维断面图、横断面形态图、流量及水位过程曲线等[1]。

HEC-RAS计算方法主要是把涉水建筑物分为3部分，来计算分析所引起的能量损失。这3部分分别为：①建筑物占用过流断面时，收缩上游水流断面引起的能量损失；②水流断面收缩时，水流在经过建筑物后，扩散引起的能量损失；③各种形式、排列、形状的建筑物本身所造成的能量损失。

在使用程序计算分析时，要考虑到水位变化时糙率的变化；同时纵向及横向的糙率对滩地、主河道等的流量分配；还需要同步计算各种形式、排列、形状的建筑物本身所造成的各种局部阻力。此类方法在实际工程案例中使用较广，运用比较成熟。能量方程各要素示意图见图2。

图2 能量方程各要素示意图

根据能量守恒定律推算[2]，公式如下：

式中：Z2、Z1分别为上下断面河底高程；Y2、Y1分别为上下断面水深；V2、V1分别为上下断面平均流速；α2、α1分别为动能校正系数；g为重力加速度；he为水头损失。

局部损失和摩阻损失两项组成水头损失he，计算公式如下：

式中：L为按流量加权长度；Sf为摩阻坡度；C为断面扩张或收缩系数。

L为流量加权长度，采用下式计算：

式中：Llob、Qlob为左岸滩地距离与流量；Lch、Qch为主河道距离与流量;Lrob、Qrob为右岸滩地距离与流量。

α为动能校正系数，采用下式计算：

式中：At为断面总面积；Kt为总流量模数；Alob为左岸滩地，Ach为主河道，Arob为右岸滩地面积；Klob为左岸滩地，Kch为主河道，Krob为右岸滩地流量模数。

Sf为摩阻坡度 ，采用下式计算：

式中：Q为流量，m3/s；R为水力半径，m；n为糙率。

3.2 计算边界条件

3.2.1 横断面

此次计算分析河段的资料为2021年5月实测河道横断面，其中包含1.6 km的治理段，布置15个断面，断面平均间距106.7 m，最大间距163 m，最小间距50 m。推算水面线的基本依据以实测现状横断面为准，断面布置详细内容见表2。

表2 断面布置情况表

3.2.2 河床糙率

植被、平面形态及水流流态、河床组成及床面特性、岸壁特性等因素是影响河道粗糙系数的重要因素，根据外业实地查勘，并结合《水力计算手册》(武汉大学)、流域相关水利工程设计资料中的糙率取值，确定水库下游河道糙率值为0.037，河滩地河道糙率值为0.042[3]。

3.2.3 起推水位

水面线计算采用分析河段末端的 CS15 断面作为相应河段起始断面，由 CS15 断面水位流量关系曲线中相应频率的洪水水位进行由下至上的水面线推求。结合工程实地勘测和断面数据，采用曼宁公式计算可以得出该断面的水位及流量关系。CS15 断面水位流量关系曲线见图3。当河段洪峰流量为633.95 m3/s时，相应洪水位为829.70 m。

图3 CS15断面水位流量关系

3.3 水面线计算成果

3.3.1 水面线成果

阿拉沟水库下游分析河段水面线成果见图4、表3。

图4 分析河段P=1%水面线图

表3 设计水面线成果

3.3.2 合理性分析

分析河段水面线基本走势与深泓线一致，断面CS3处水面线受到河道收缩及桥梁雍水影响，水位上涨；断面CS3至断面CS7之间 ，受两岸地形影响，河道整体上较窄，水位呈上升趋势；断面CS7至断面CS8之间，地形陡然发生变化；断面CS7 以后河道扩张，河段洲滩发育，河道断面变宽，水位逐步下降。水面线变化情况符合河道实际情况，因此本次计算水面线成果基本合理[4]。

4 结果分析

4.1 洪水对下游河段影响分析

本次分析范围为水库大坝下游1.6 km河段。设计洪水工况下(百年一遇洪水)，阿拉沟水库最大下泄流量为633.95 m3/s，下游河道两岸地面基本不会被洪水淹没。但在 K0+240 处左岸堤防仅比水面线高出0.21 m，K1+172处右岸堤防仅比水面线高出0.17 m，易产生安全风险。洪水对河床及有堤防河段冲刷影响较小，对自然岸坡及河内洲滩冲刷影响显著，易引起岸坡崩岸、滑塌[5-6]。

4.2 冲刷分析

阿拉沟水库下泄洪水中泥沙含量较低、流速大，设计工况下，下游洪水流速达4～5 m/s，洪水冲刷能力显著。由于下游河道河床主要为卵砾石，厚度一般为10～20 m，抗冲能力较好，洪水对河床冲刷影响较小。本次分析范围内，部分河段未修建堤防，为自然岸坡，抗冲能力较差，且植被覆盖度较差，受到冲刷易发生崩岸、滑塌；部分河段修建了堤防，抗冲能力较好；对河内洲滩冲刷影响显著 。

5 结 论

本次对阿拉沟水库下游段河道(K0+000～K1+600)进行洪水复核分析计算，通过采用HEC-RAS水面线计算软件包，对河道系统稳定流或非稳定流一维水力计算。建议对高度不足的防洪堤进行加高，减轻风险，建立水情监控机制，确保安全。结合下游段防洪堤的实施，该分析计算的成果是可靠的。