新疆托克遜縣阿拉溝水庫設(shè)計洪水分析

木娜瓦爾·買買提

（新疆吐魯番水文勘測局,新疆 吐魯番 838000）

0 引言

阿拉溝水庫于2011 年4 月開始施工，2014 年11 月11日水庫正式下閘蓄水，2015 年10 月～2016 年8 月庫水位達到935 m～942 m，接近944.39 m正常蓄水位。2016 年9 月～10 月中旬水庫放水過程中，發(fā)現(xiàn)大壩上游約600 m～1050 m范圍的左岸邊坡在1100 m高程以下的臨庫坡面出現(xiàn)小規(guī)模崩塌，邊坡開始出現(xiàn)變形。隨后兩年來，庫水位主要維持在916 m～932 m之間，期間左岸臨水坡面不斷有崩塌發(fā)生，隨著時間推移，邊坡變形增大趨勢明顯。2018 年8 月中旬水庫開始放空，一直空庫運行。為了確保阿拉溝水庫除險加因工作順利進行，需對阿拉溝水庫的洪水進行設(shè)計復(fù)核。

1 概況

阿拉溝河發(fā)源于天格爾山南側(cè)和阿拉溝山北側(cè)，上游由阿拉溝、夏爾溝、烏拉斯臺溝三大支流匯合后進入托克遜縣境內(nèi)。阿拉溝水庫位于阿拉溝中下游，是一個具有灌溉、防洪、生態(tài)保護等綜合性的水利工程，灌溉面積10.7 萬畝。正常高水位對應(yīng)庫容為3900萬 m3，屬Ⅲ等工程，大壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000 年一遇。該河段地貌為中低山峽谷區(qū)，峰巒迭嶂，多為圓頂山、豬背山，山勢陡峻，沖溝發(fā)育。庫區(qū)河段為基本對稱的“U”型河谷。兩岸山頂高程1000 m～1300 m，與河床相對高差100 m～300 m，河床寬窄不一，最窄處不足100 m，最寬處約500 m。

2 水文氣象

2.1 水文站網(wǎng)及資料情況

阿拉溝河上的水文站主要為阿拉溝水文站，位于阿拉溝河出山口附近（即本次規(guī)劃水庫大壩下游3 km處），設(shè)立于1956 年11 月，屬于國家基本水文站，觀測年限長達63 年，其測驗、計算、整編等方法均符合國家相關(guān)規(guī)范要求。由于1996 年特大洪水將測站測驗設(shè)備及設(shè)施全部沖毀，測驗斷面水毀嚴(yán)重，無法繼續(xù)維持測驗，1997 年將該站觀測斷面及站房下遷5 km，區(qū)間無支流匯入，稱阿拉溝（二）站。經(jīng)對專用庫數(shù)據(jù)表進行復(fù)核，無異常值，資料可靠。阿拉溝水庫資料（2015 年～2018 年）由庫容曲線推算，數(shù)據(jù)可靠。

2.2 氣象

托克遜縣地勢高低懸殊，受熱面積大，溫度變幅大，從而導(dǎo)致了多風(fēng)天氣的產(chǎn)生。一年中大風(fēng)發(fā)生的時間在3 月～10 月，風(fēng)向主要是西北風(fēng)。阿拉溝流域降雨稀少，主要集中在夏季（6 月～8 月），降水占全年的72.9%，9月～次年5 月占27.1%。阿拉溝水文站4月～9月蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的82.5%，10月～次年3月蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的17.5%。

3 洪水類型分析

3.1 暴雨型洪水

阿拉溝河的洪水多由暴雨形成，主要有以下特征：①暴雨時空分布極不均勻。夏季（6 月～8 月）降水量占全年總降水量的80%以上；暴雨中心一般集中在中高山區(qū)，并由山區(qū)向平原急劇遞減。② 暴雨歷時短（一般不超過6 h），陣性強，籠罩面積小，洪水過程線一般為獨立的峰形，陡漲陡落，峰高量小，無明顯的日變化。如該站1969 年6 月26 日暴雨洪水：25 日 22 時 30 分至 26 日 22 時 30 分降水量15.7 mm，洪水歷時僅24h，洪水漲率為77.8 m3/（s·h），洪峰流量234 m3/s。據(jù)阿拉溝水文站55 年洪水資料分析，該類洪水的機率為57.8%左右。

3.2 混合型洪水

由于隨氣溫上升，積雪融化加之暴雨形成融水混合型洪水，多發(fā)生在6 月～8 月，有明顯的日變化。如阿拉溝水文站1996 年7 月20 日的洪水。

阿拉溝河洪水類型主要為暴雨型和混合型洪水，且多以夏季局地暴雨引發(fā)洪水為主。洪水具有突發(fā)性、歷時短、陡漲陡落等特點。

4 洪水系列分析

4.1 還原分析

阿拉溝水文站具有1957 年～2018 年完整洪水系列，其中2015 年～2018 年為出庫流量，需要進行還原。①調(diào)查了解，水庫近幾年未發(fā)生大洪水，運行后最大來水量未記錄存儲；②用周邊站洪水進行相關(guān)分析，其相關(guān)關(guān)系不太好；③本站主汛期平均流量總計與洪峰洪量相關(guān)關(guān)系雖然較好，但是插補值不切合近幾年該河流來水情況。因此，本次水庫運行后洪峰流量和各時段洪量以58 年天然實測資料為依據(jù)，資料系列包含豐、平、枯變化，因此本次2015 年至今洪水系列以實測代替較為合理。

4.2 不同長度系列統(tǒng)計參數(shù)分析

吐魯番市大部分河流場次洪水持續(xù)時間一般都在3日以內(nèi)，因此，僅對最大洪峰和3 日洪量進行代表性分析即可。

將阿拉溝水文站1957 年～2018 年實測最大洪峰、3日洪量，按不同系列長度進行統(tǒng)計參數(shù)計算。從表1、2 中知，均值和CV值在55 年以后趨于穩(wěn)定。

表1 阿拉溝水文站洪峰流量長短系列統(tǒng)計參數(shù)對照表

表2 阿拉溝水文站3日洪量長短系列統(tǒng)計參數(shù)對照表

4.3 模比系數(shù)累計平均及差積曲線分析

（1）模比系數(shù)累計平均曲線分析

圖1 阿拉溝水文站洪峰流量和3日洪量模比系數(shù)累積平均曲線圖

從圖1可知，該站洪峰流量及3 日洪量均值隨系列長度增加曲線趨近1.0 。自2018 年向前推，2018年 ～2017 年遞減、2017 年 ～2012 年遞增、2012 年 ～2001 年和 1998 年 ～1987 年較為平緩過程，2001 年～1998 年后明顯的遞增過程，1998 年后平緩的遞減過程，當(dāng)系列長度50 年以上時，均值波幅小于5%，漸趨穩(wěn)定。

（2）模比系數(shù)差積曲線分析

圖2 阿拉溝水文站洪峰流量和3 日洪量模比系數(shù)差積曲線圖

從阿拉溝站洪峰流量和3 日洪量模比系數(shù)差積曲線圖可看出，該系列有較完整的增減過程。其中，1956 年～1986 年為小洪水年份，1986 年～1994 年為中洪年份，1995 年～2000 年為大洪水年份，2001 年～2018 年為中洪年份，62 年實測過程包括了豐、平、枯年份。

綜上分析，阿拉溝水文站洪峰流量和各時段洪量62 年系列具有一定代表性。

4.4 歷史洪水調(diào)查

截止2018 年，阿拉溝水文站已積累了62 年完整的洪水資料。從1978 年調(diào)查到的歷史洪水資料和南疆鐵路“653”工程設(shè)計時的洪水調(diào)查資料，以及1996年的洪水調(diào)查可知，阿拉溝河曾在1927 年、1932 年、1953 年發(fā)生過較大洪水。阿拉溝水文站歷史調(diào)查和實測大洪水有：1996 年的最大洪峰流量490 m3/s，排位第一；其次是1998 年，洪峰流量為321 m3/s；1953 年洪峰流量為307 m3/s，排位第三。由于1996 年最大洪峰量值是1956 年建站以來的最大洪水，與排位第二、三位洪水并無十分顯著偏大。因此，本次計算時不做特大值處理，而以實測年最大洪峰流量為樣本，按連序系列進行頻率計算。

5 設(shè)計洪水計算

阿拉溝水文站是阿拉溝河流域唯一國家基本水文站，位于水庫大壩下游3 km處；阿拉溝（二）站位于水庫大壩下游5 km，一站、二站和水庫區(qū)間無支流匯入和支出，其洪峰流量和各時段洪量資料系列是一致的，因此，本次阿拉溝站設(shè)計徑流量作為水庫設(shè)計洪水成果。

5.1 水庫設(shè)計洪水計算

阿拉溝站1957 年～2018 年洪峰系列和1日、3日、7日洪量按連續(xù)系列，采用P-Ⅲ型曲線優(yōu)選適線進行頻率計算，其統(tǒng)計參數(shù)（洪峰流量均值）、P（頻率）和CV（洪峰流量變差系數(shù)）以下式估算：

式中：n為系列項數(shù)；P為按大小順序排位的第m項洪水的經(jīng)驗頻率；Qi為實測洪水變量（i=l+1,…,n）；為洪水變量均值；CV為變差系數(shù)。CS與CV比值采用經(jīng)驗法，人工適線確定。

式中參數(shù)取值及計算結(jié)果見表3。

表3 阿拉溝水庫設(shè)計洪水成果表

5.2 成果對比分析

將2007 年完成的《阿拉溝水庫工程初設(shè)報告》（計算系列為1957 年～2006 年）、2013 年11 月完成的《托克遜縣阿拉溝引水渠首除險加固工程水文分析計算》（計算系列為1957 年～2012 年）和本次設(shè)計成果（計算系列為1957 年～2018 年）對比，結(jié)果見表4。由表4可見前后三次設(shè)計洪水成果相差不明顯。由于前兩次成果時間間隔已久，建議用本次設(shè)計洪水成果。

表4 阿拉溝水庫設(shè)計成果對比

5.3 設(shè)計洪水過程線

選擇1996 年和1998 年較大洪水過程線作為本次的設(shè)計洪水過程線，用同頻率放大法進行放大，經(jīng)本次推薦的設(shè)計洪水成果與放大后成果對比，其相差±10%以內(nèi)，其成果也是合理的。限于篇幅不展開作詳細論述。

6 結(jié)語

阿拉溝水文站共有62 年洪水實測資料。洪水系列已達到《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》中要達到30 年以上實測資料的要求，資料精度較好，成果可靠。本次設(shè)計洪水計算，阿拉溝站有62 年的最大洪峰流量為樣本，按連序系列計算方法進行頻率計算是合理的。洪水實測系列較長、依據(jù)充分，使用方法符合規(guī)范，計算成果較合理。從前后三次阿拉溝站設(shè)計洪水成果對比分析，各時間段設(shè)計洪水成果相差不大，所以推薦采用本次設(shè)計成果，即100年一遇洪水按照715 m3/s是科學(xué)合理的。