孔雀河第一分水枢纽处设计洪水分析

2023-10-12李华伟

海河水利 2023年9期

李华伟

（新疆维吾尔自治区巴音郭楞水文勘测局，新疆库尔勒 841000）

1 概况

孔雀河第一分水枢纽位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境内，是孔雀河上游Ⅲ等中型枢纽工程，建成于1968 年1 月，经过多年运行，急需进行除险加固，故开展工程处设计洪水分析十分重要。

孔雀河发源于博斯腾湖，全长约420 km，支流哈满沟是其主要洪水来源，在铁门关水库上游约8.94 km 处汇入孔雀河。孔雀河第一分水枢纽设计洪水标准为20 a 一遇，相应流量为243 m³∕s；校核洪水标准为50 a一遇，相应流量为317 m³∕s。左岸库塔干渠进水闸引水流量35 m³∕s，右岸十八团渠进水闸引水流量23 m³∕s[1，2]，主要担负农二师十八团渠灌区、库塔干渠灌区（库尔勒、尉犁县）灌溉引水任务，控制灌溉面积54 633.6 hm2，库塔干渠同时还承担向塔里木河下游生态输水的任务。第一分水枢纽上游水利工程和水文站网分布情况，如图1所示。

图1 孔雀河第一分水枢纽上游水利工程和水文站网分布情况示意

2 计算节点和方法

库尔勒市周边区域最高峰海拔高度3 000 m，没有永久性冰川和积雪，冬季也无较厚积雪，山体较低，山岩风化严重，岩石裸露、多裂隙、少植被，哈满沟分布在其间，其集洪区内地下水位多在5～8 m以下，不可能补给洪沟。当降雨强度小时，降水全部渗入地下，只有发生暴雨期间洪沟内才会有洪水汇集。孔雀河的源头为博斯腾湖，出水受到人为控制。分析发现，孔雀河洪水主要由哈满沟的暴雨洪水汇入孔雀河形成，按洪水的成因分类，洪水类型为暴雨洪水。

2.1 参证站选定

孔雀河水文资料较少，塔什店（五）水文站是其观测至今的唯一水文站，观测项目有水位、流量、比降等。洪水主要由支流哈满沟的暴雨洪水汇入形成，本次分析计算以石灰窑（观测年限1954—1984 年）、塔什店（五）（观测年限1982—2021 年）水文站为参证站。洪水分析计算节点为塔什店（五）水文站、哈满沟入孔雀河处、石灰窑水文站以及第一分水枢纽处。

2.2 哈满沟入孔雀河处洪水

哈满沟位于霍拉山南坡，积水面积315 km2，长36.65 km，河道平均坡降58.6‰，是一条季节性山洪沟，只有发生暴雨期间才会有洪水汇集，平日无径流，无水文监测站点。经洪水调查，孔雀河洪水主要由哈满沟的暴雨洪水形成。

哈满沟洪水资料贫乏，设计洪水计算相对困难，本次采用洪峰模比系数综合频率曲线法、洪峰模数法、设计暴雨推理公式法3 种方法对哈满沟入河口设计洪水进行分析计算，同时进行对比分析和相互验证，最终选用洪峰模比系数综合频率曲线法计算成果。

3 工程场址设计洪水计算

3.1 计算方法

孔雀河是一条人为控制的河流，洪水主要由哈满沟暴雨洪水形成，大多发生在6—8 月。哈满沟汇入孔雀河后4.29 km处有以发电为主的铁门关水库。铁门关水库是以发电为主的中型拦河水库，1966 年8 月完工，设计总库容724.3×104m3，最大蓄水量714×104m3，防洪库容148×104m3，设计防洪标准为100 a一遇。

根据铁门关水库的防洪库容计算，当哈满沟发生2 a 一遇的常见洪水，再加上孔雀河6—8 月平均流量，水库的防洪库容不到4 h就可蓄满。这也从侧面反映出，当水库上游发生洪水时，水库基本上不蓄洪，来多少水就开闸放多少水。而水库下游的河道河宽大部分在100 m 左右，河深在3～4 m，过水能力较强，加上铁门关水库最大下泄流量为400 m3∕s，所以水库对下游防洪任务承担作用小。

从孔雀河上游水管站第一分水枢纽的闸后自记水位纸记录上可看出，闸后水位日变化较大，特别是20：00—次日6：00变幅可达16 cm，变化趋势基本每天如此。经分析，主要原因是由于调解库容小，铁门关电厂为保持闸前的水位足以保证发电，不得不频繁地开启和关闭闸门，这也侧面反映了铁门关水库对河道正常流量只有很小的调解作用，对洪水的调解作用很小。

（1）1981年哈满沟洪水调查情况显示，当年7月30日，哈满沟发生了219 m3∕s的暴雨洪水，约13：00开始涨水，15：30涨至洪峰。洪水起涨同时，水库加大了下泄流量，但短短几小时水库几乎全部蓄满，水库闸门全部打开，直到20：00水库才开始正常出流。由此可以看出，由于水库防洪库容小、蓄满历时短，所以洪水来临时泄洪闸全部打开泄洪，水库不承担防洪任务。铁门关水库防洪库容148×104m3，不具备错峰调洪能力，所以此次洪水分析不考虑铁门关水库作用。

（2）参评站设计洪水计算。采用石灰窑水文站实测资料法、哈满沟设计值叠加塔什店（五）水文站有资料以来的最大实测洪峰流量法和哈满沟设计值叠加石灰窑汛期6—8月设计值3种方法计算石灰窑水文站设计洪水。

（3）设计工况条件下的工程场址设计洪水计算。受1983 年博斯腾湖扬水站投入运行的影响，孔雀河上塔什店（五）水文站的水文监测资料受人工影响较大，不宜进行水文频率分析计算，结合现有资料情况从偏安全角度考虑，设计工况条件下的工程场址设计洪水以哈满沟设计洪水为基础，采用哈满沟设计值叠加塔什店（五）水文站有资料以来的最大实测洪峰流量法和石灰窑水文站实测资料法计算工程场址处的设计洪水。

（4）洪峰衰减率采用2020 年1 月11、12 日以及2021 年7 月5 日总计3 次在各节点实测流量进行计算取均值所得。

（5）由于孔雀河大部分洪水资料源于塔什店（五）和石灰窑水文站断面，所以本次分析计算应用各种方法计算出的设计洪水均将设计洪水值推算到石灰窑水文站，然后进行合理性分析。

3.2 洪峰衰减率分析

2020年1月11、12日和2021年7月5日，在孔雀河塔什店（五）水文站和第一分水枢纽进行了流量测验。塔什店（五）水文站流量测验在该水文站的基本测流断面进行，利用双锁缆车测流。第一分水枢纽的流量测验，在分水枢纽下游的桥上进行。根据河宽均匀布设测深测速垂线（15～20条），采用Ls 25-1型流速仪铅鱼相对0.6一点法测流。测流结果，详见表1。

表1 孔雀河实测流量和洪峰衰减率计算成果

由于此时为冬季，孔雀河的引水渠道没有引水，流量无明显日变化，因此此流量计算的洪峰沿程衰减率可代表河道的洪峰沿程衰减率。洪峰衰减率计算公式为：

式中：P衰减率为上游至下游洪峰沿程衰减率（%）；Q上游为上游实测流量值（m3∕s）；Q下游为下游实测流量值（m3∕s）；L为测流断面之间的距离（km）[3]，取20.84 m。

式中相关参数取值及计算结果，详见表1。

塔什店（五）水文站至第一分水枢纽的河道一部分为人工河道，一部分为天然河道，河道的规整度和河床的密实度相对较差，造成洪水阻力较大，洪峰衰减率随之较大。由于冬季不引水灌溉，所以孔雀河流量无明显日变化，夏季有引水灌溉，沿程洪峰衰减率具有代表性，所以塔什店（五）水文站至第一分水枢纽平均每公里洪峰衰减率为0.548%。

3.3 哈满沟叠加塔什店（五）水文站最大洪峰流量计算

经过对塔什店（五）水文站39 a水文资料查阅，塔什店（五）水文站最大洪峰流量为2002年的158 m3∕s。哈满沟位于塔什店（五）水文站下游5.22 km处，洪峰衰减率为0.548%，经计算得衰减后的最大洪峰流量为153 m3∕s，再叠加哈满沟入河口设计洪水流量，结果详见表2。

表2 哈满沟叠加塔什店（五）水文站最大洪峰流量计算成果m3∕s

3.4 石灰窑水文站设计洪水计算

石灰窑水文站位于哈满沟入孔雀河口处下游11.62 km 处，具有1954—1984 年30 a 观测资料。本次分析计算采用3种方法对石灰窑水文站设计洪水进行分析计算，用以对比分析和相互验证[4]。

（1）实测资料法。直接将石灰窑水文站30 a 的洪水资料进行频率计算，由于铁门关水库对下游洪水调节作用很小，可考虑不计，所以石灰窑水文站在1983 年扬水站投入运行前的1954—1982 年洪水观测资料真实反映了孔雀河近似天然条件下的洪水情况，详见表3。

表3 石灰窑水文站不同频率设计洪峰流量计算成果m3∕s

（2）哈满沟洪水叠加塔什店（五）水文站最大洪峰法。1983 年博斯腾湖扬水站投入运行后，孔雀河源头受人工控制，非自然出流，其洪水主要受到中途哈满沟洪水汇入的影响。本次研究以哈满沟洪水叠加塔什店（五）水文站1982—2021 年实测资料统计的最大洪峰流量为基础，由此所得成果既考虑到了最不利因素又最符合目前孔雀河流域现状，因此推荐使用该种方法计算的成果来推算工程场址处的设计工况条件下的设计洪水，详见表3。

（3）同频率设计洪水叠加法。叠加石灰窑水文站1954—1984年6—8月最大基流（所定基流是通过挑选6—8月最大月平均流量确定），然后再叠加哈满沟的洪水，由此确定的基流存在一定误差，而所推求的设计洪峰流量成果可作对比分析及参考使用，详见表3。

3.5 工程场址设计洪水计算

3.5.1 近似天然条件下工程场址设计洪水计算

天然状况下工程场址设计洪水是从最不利情况出发，即不考虑十八团大渠和库塔干渠的分洪任务，经过第一分水枢纽的全部孔雀河洪水。

第一分水枢纽位于石灰窑水文站下游4.0 km处，根据上文确定的塔什店（五）水文站至第一分水枢纽之间的洪峰衰减率（0.548%），将石灰窑水文站的设计洪峰流量推算到第一分水枢纽，其计算公式为：

式中：Q上i为上游断面不同频率设计洪峰流量（m3∕s）；Q下i为下游断面不同频率设计洪峰流量（m3∕s）；S损i为各断面之间平均每公里洪峰衰减率（%）；Li为各断面之间河道距离（km），取4.0 km。

式中相关参数取值及计算成果，详见表4。

表4 天然条件下各断面不同频率设计洪峰流量计算成果m3∕s

3.5.2 设计工况条件下工程场址设计洪水计算

设计工况条件下，根据《孔雀河防洪预案》规定，当第一分水枢纽流量达到120 m3∕s 时，十八团大渠承担23 m3∕s的分洪任务，库塔干渠承担27 m3∕s的分洪任务；当第一分水枢纽流量达不到120 m3∕s 时，不引洪[5]。根据洪峰衰减率0.548%，采用式（2），将石灰窑水文站的设计洪峰流量推算到第一分水枢纽，再将设计频率下洪水流量大于120 m3∕s 的减去十八团大渠和库塔干渠的分洪量，得到设计工况条件下第一分水枢纽的设计洪水成果，详见表5。

表5 设计工况条件下各断面不同频率设计洪峰流量计算成果m3∕s

3.6 成果合理性分析

本次水文分析计算，洪峰衰减率是根据3 次在各节点进行的同期洪水实测资料进行计算的，其中2 次在2020 年冬季测量、一次在2021 年夏天测量，较好地反映了不同时期孔雀河各节点的洪峰衰减率，且3次实测资料计算的洪峰衰减率很接近，这说明洪峰衰减率的确定值是比较准确合理的，取3 次洪峰衰减率的均值推演工程场址的设计洪水也是准确合理的。

设计工况条件下的设计洪水计算，考虑了1983年以后博斯腾湖扬水站以及十八团大渠、库塔干渠等引水枢纽工程运行带来的分洪影响，以塔什店（五）水文站观测的最大洪峰流量叠加哈满沟的设计洪水，并考虑了设计工况条件下的最不利因素，与孔雀河现状最为贴近，成果可靠。