莫托沟渠首设计洪水计算方法探析

乌仁娜

（新疆维吾尔自治区博尔塔拉水文勘测局，新疆 博尔塔拉 833400）

1 工程概况

莫托沟位于新疆温泉县哈日布呼镇境内，发源于阿拉套山中段南麓，为博尔塔拉河支流[1]。莫托沟北岸汇入的较大支流自西向东依次为确龙特沟、二道桥沟、赞格乌苏沟、艾力克吐直克沟等；南岸汇入的较大支流自西向东依次为桑得克赛沟、马夏沟、巴音达拉沟、乌尔达克赛河及大河沿子河等。

莫托沟属典型大陆性气候，降水量年内分配不均，季、月变化悬殊，连续最大4 个月降水量集中在5—8 月，占年降水量的61.0%。莫托沟出山口以上区域（山区）为径流形成区，受山体地形及水汽作用，降水相对丰沛；受外部流水侵蚀作用影响，山体切割较深，河谷深窄，多呈“V”形，阶地发育明显，主河道纵比降为64.8‰。莫托沟上游山区人类活动较少，地面植被良好；中、下游两岸地势比较平缓，植被覆盖度低。莫托沟自北向南出山口以下逐渐散失于山前冲洪积扇平原区。

规划建设的莫托沟渠首工程位于莫托沟出山口处，距哈日布呼镇阿尔夏特村北约5 km，渠首断面以上集水面积63.09 km2，河长23.31 km，年径流量1 898 万m3。为了解决莫托沟灌区工程性缺水的需要，需对莫托沟拟建渠首工程进行洪水分析计算。

2 水文基础资料收集

2.1 水文资料选取

莫托沟流域无水文站，为满足分析计算需要，选取了同流域相同地带的温泉水文站（博尔塔拉河）、阿合奇水文站（乌尔达克赛河）、沙尔托海水文站（大河沿子河）、精河山口水文站（精河）作为本次洪水分析的参证站，观测项目包括水位、流量、悬移质输沙率、降水量、蒸发量、水温、气温、水质等[2]。所选参证站的水文资料均经过整编，符合国家行业技术规范的标准和要求，数据成果可靠，满足计算要求。

2.2 野外调查

为准确分析莫托沟渠首断面洪水，由博尔塔拉水文勘测局组织，对莫托沟流域历史洪水进行了专项调查，开展了大断面测量、洪痕辨认与确定，上、下断面洪水水面比降测量和流量实测等工作。经调查，莫托沟历史最大洪水发生在1974年7月，经对附近流域复核温泉水文站和阿合奇水文站1974 年发生最大洪水的时间均为7 月。由此可见，莫托沟流域与相邻流域发生洪水的时间一致，洪峰流量为76.5 m3/s，洪水重现期为44 a一遇。

3 洪水类型及成因

根据同流域同地带参证站水文资料分析，莫托沟渠首洪水主要有3种类型：①冰雪融水型洪水，发生在春、夏季，由中高山冰雪融水形成，其发生时间早于其他类型洪水，且洪峰流量较小，持续时间长。此类洪水出现的时间早与晚、洪峰流量大与小，与气温回升速度的快慢、高温天气持续时间的长短等因素密切相关。②暴雨型洪水，常见于中、低山带和前山山麓地带，洪水发生时间和暴雨出现的时间相吻合，洪水的大小和强度取决于暴雨的量级和强度。③混合型洪水，为冰雪融水型洪水与暴雨型洪水叠加形成的洪水。由于混合型洪水组成不同，因而兼有前2种洪水的特征，不仅起涨流量较大，而且洪峰流量和洪水总量都远远超过上述2种单一型洪水。

以上3 种类型洪水大多发生在夏季的6—8 月。通过对阿合奇水文站夏洪频次分析发现，乌尔达克赛河年最大洪水发生在7月的频次最高达52.1%，其次是8月频次为45.8%；年最大洪水发生最少的是6月，频次仅为2.1%。这从另一个侧面反映了乌尔达克赛河流域洪水与高温、冰川和暴雨影响关系密切的特点。

4 设计洪水计算

本次研究采用洪峰流量模比系数综合频率曲线法、推理公式法、调蓄经验单位线法、面积指数法4种方法，推算莫托沟渠首设计洪水。

4.1 洪峰流量模比系数综合频率曲线法

选取与莫托沟渠首同属一个水文分区的乌尔达克赛河阿合奇水文站、大河沿子河沙尔托海水文站、精河山口水文站作为参证站，根据各站实测年最大洪峰流量及历史调查洪水资料，采用洪峰流量模比系数综合频率曲线法，推求莫托沟渠首不同频率的洪峰流量，具体计算方法和步骤如下：①分别计算各站洪峰流量系列模比系数；②将各站洪峰流量系列模比系数点在同一张几率格纸上，取各站同频率模比系数外包线值配成频率曲线，绘制地区洪峰流量模比系数综合频率曲线；③在曲线上查出调查洪水模比系数Kd；④将设计频率模比系数Kp和调查洪峰流量Qd，代入洪峰流量计算公式，求出莫托沟渠首设计洪峰流量。设计洪峰流量计算公式为：

式中：Qp为设计洪峰流量（m3/s）；Kp为设计频率模比系数；Kd为调查洪水模比系数；Qd为调查洪峰流量（m3/s）。

莫托沟渠首不同频率设计洪峰流量计算结果，详见表1。

表1 莫托沟渠首不同频率设计洪峰流量计算结果

4.2 推理公式法

4.2.1 设计暴雨计算

根据温泉水文站1960—2016 年连续57 a 实测最大1 d降雨量系列推求该区域设计暴雨。查《新疆短缺资料中小河流设计洪水计算应用方法》（2013年5月）“时段降雨量折算系数参考表”“点面降雨量折算系数参考表”[3]，日降雨量折算为24 h 降雨量，系数为1.13，博尔塔拉河点面降雨量折算系数为2.054。温泉水文站不同频率最大降雨量计算结果，详见表2。

表2 温泉水文站不同频率最大降雨量计算结果 mm

4.2.2 设计洪水计算

（1）计算公式。水利部推荐的推理公式法基本公式为：

式中：Qmp为设计洪峰流量（m3/s）；Sp为设计雨力（mm/h）；τ 为汇流历时（h）；n为暴雨指数；F为流域面积（km2）；L为河道长度（km）；m为汇流参数；J为河道平均比降；φ为洪峰径流系数，分部分汇流和全面汇流2种情况，当产流历时tc＜τ时为部分汇流，当tc≥τ时为全面汇流。

分别选取相应暴雨指数n1、n2进行试算，推求设计洪峰流量。

产流历时tc由下式计算：

式中：tc为产流历时（h）；μ为净雨历时内平均损失率（mm/h）；其余变量含义同上。

（2）参数选取与计算。流域特征参数F、L、J值在1∶50 000地形图上量算得出。沿河道绘出各山洪沟分水岭，确定流域面积为63.09 km2；沿主沟从出口断面至分水岭最长距离L为23.31 km；沿流程L的平均比降J为64.8‰。根据《新疆短缺资料中小河流设计洪水计算应用方法》（2013年5月）“暴雨递减指数参考表”，结合流域实际情况，n1取0.73，n2取0.78。

某设计频率雨力计算公式为：

式中：H24p为某设计频率最大24 h面雨量（mm）；其余变量含义同上。

损失系数计算公式为：

式中：R为损失系数；r为损失指数，即不同下垫面条件不同土类平均损失的计算参数；其余变量含义同上。

r可根据《新疆短缺资料中小河流设计洪水计算应用方法》（2013 年5 月）“各类土壤损失参数R、r参考表”查得。经分析工程场址处土壤、植被及降雨情况，R、r分别取1.08、0.75。

无资料条件下汇流参数m值可根据《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-2006）“小流域下垫面条件分类表”查得，为0.552。莫托沟渠首不同频率设计洪峰流量计算结果，详见表3。

表3 莫托沟渠首不同频率设计洪峰流量计算结果

4.3 调蓄经验单位线法

调蓄经验单位线法是无水文资料的中小流域设计洪水的常用方法之一，主要通过图表查算、产流试算、汇流计算来完成计算。

4.3.1 产流计算

利用《新疆维吾尔自治区可能最大暴雨图集》查得天山北坡地区逐时雨量分配过程，根据雨量分配过程假设产流历时为tc，在《新疆维吾尔自治区中小流域设计暴雨洪水图集》产流综合图上查出相应产流期平均损失率f，求得产流期雨量Ptc，验证tc是否合适[4]。之后，计算产流期平均净雨强度I净。

4.3.2 汇流计算

根据集水面积F和净雨强度I净在《新疆维吾尔自治区中小流域设计暴雨洪水图集》的汇流综合图上查得相关参数，采用下式求出调蓄经验单位线公比：

式中：b为调蓄经验单位线公比；Δt为汇流时段（h）；t0为初损历时（h）。

将Δt时段的雨量换算成净雨量，其计算公式为：

式中：Ii为净雨量（mm）；F为区域面积（km2）；Ri为损失系数；其余变量含义同上。

Ii乘以无穷递减等比级数值并依次叠加，可得出地面径流过程，再合成基流即设计洪水过程线，其最大值即设计洪峰流量。设计洪水计算结果，详见表4。

表4 莫托沟渠首不同频率设计洪峰流量计算结果汇总m3/s

4.4 面积指数法

根据参证站温泉水文站及阿合奇水文站的设计洪峰流量，采用面积指数法推算莫托沟渠首设计洪峰流量，其计算公式为：

式中：Q设和Q站为莫托沟渠首断面和参证站断面的设计洪峰流量（m3/s）；F设和F站为莫托沟渠首断面和参证站断面集水面积（km2）。

莫托沟渠首、温泉水文站、阿合奇水文站集水面积分别为63.09、2 206、938 km2，采用式（9）推算莫托沟渠首设计洪峰流量，计算结果详见表4。

4.5 设计洪水计算结果合理性分析

推理公式法因其计算方法中所需确定的参数较多，且缺少流域或流域附近区域的相关实验分析数据，使得计算精度无法保证；调蓄经验单位线法的汇流参数t0和tm值均直接来自实测洪水过程线的宏观分析，对小流域适应性较差；面积指数法因其选用的参证站温泉水文站和阿合奇水文站分属2 条河流，其产汇流、下垫面条件、流域集水面积和河槽调蓄能力与莫托沟差别较大，所以各计算断面的设计值存在明显差异；洪峰流量模比系数综合频率曲线法综合出地区洪水的规律性，充分利用设计流域调查洪水资料，解决了实际工作中无洪水资料流域设计洪水问题，因此推荐此方法计算结果作为本次莫托沟渠首工程设计洪水计算结果。各方法推求的莫托沟渠首设计洪水计算结果汇总，详见表4。

5 结语

通过计算分析可知，以温泉水文站、阿合奇水文站、沙尔托海水文站、精河山口水文站洪水资料频率计算为基础，采用气候地形条件基本相似的水文站洪水资料，编制洪峰流量模比系数综合频率曲线，推求莫托沟渠首计算断面设计洪水，缩小了计算结果因各站水文特性的差别和单站洪水资料推求设计洪水时的任意性，其50 a 一遇洪峰流量为80.0 m3/s，因此认为设计计算结果合理。