溫泉縣托斯呼爾溝防洪工程設計洪水分析

葉爾登

（新疆維吾爾自治區博爾塔拉水文勘測局，新疆 博樂 833400）

擬建的托斯呼爾溝防洪工程位于新疆溫泉縣安格里格鄉以北7 km 處托斯呼爾溝流域內，由于區域無水文資料，增加了防洪工程設計難度，需對工程處設計洪水進行分析計算。

1 概況

溫泉縣安格里格鄉托斯呼爾溝位于博爾塔拉河中下游，是博爾塔拉河南岸的一級支流。流域地處歐亞大陸腹地，東臨烏達克賽河阿合奇水文站，南臨別珍套山沒吾斯達坂北坡，西臨溫泉縣，北至博爾塔拉河中下游段，屬于大陸性暖溫帶干旱氣候，多年平均降水量231.9 mm。托斯呼爾溝在出山口以上集水面積126.2 km2，從河源到出山口河長20.8 km，平均坡降59.2‰，最高海拔2500 m。

托斯呼爾溝平常無水，夏季多暴雨洪水，河流流向大致為由南向北。擬建的托斯呼爾溝防洪工程位于新疆溫泉縣安格里格鄉以北7 km 托斯呼爾溝出山口以下3.2 km 處，根據兩岸堤防保護的村莊和田地等對象，擬建防洪堤3.7 km，防洪標準為20 a 一遇，防洪工程為Ⅳ等小（1）型工程，主要建筑物工程級別為4級，次要建筑物及臨時建筑物級別為5級。

2 洪水特性與水文計算斷面

2.1 洪水成因及分類

影響洪水主要有氣候因素（如降水、氣溫）及下墊面條件（如地形、地質、土壤、植被、冰川等）[1]。由于缺乏托斯呼爾溝實測洪水資料，對洪水特性分析采用與其鄰近的溫泉水文站洪水資料系列進行。洪水類型有季節融雪洪水、暴雨洪水、混合型洪水3種，洪水特征也與其他地區有所不同，突發性較強，致災性嚴重。

2.2 水文計算斷面

由于托斯呼爾溝無實測水文資料，結合托斯呼爾溝防洪工程布置和水文資料情況，確定防洪工程4 個斷面為工程水文計算斷面。A1 斷面位于托斯呼爾溝出山口處，地理坐標東經81°09′43″、北緯44°54′31″，海拔高程約1316 m，斷面以上集水面積126.2 km2，河長20.8 km；A2 斷面位于托斯呼爾溝出山口下游約3.2 km 處，地理坐標東經81°11′11″、北緯44°55′54″，地面海拔高程1238 m；A3斷面位于托斯呼爾溝防洪工程上斷面A2以下約2.1 km處，地理坐標東經81°11′59″、北緯44°56′52″，地面海拔高程1177 m；A4 斷面位于托斯呼爾溝防洪工程上斷面A3 以下約1.7 km 處，地理坐標東經81°12′50″、北緯44°57′31″，地面海拔高程1140 m。各水文計算斷面位置，如圖1所示。

圖1 防洪工程節點分布示意

3 參證站設計洪水計算

由于托斯呼爾溝無實測洪水資料，氣象資料也不足。現采用與托斯呼爾溝相鄰流域氣候、下墊面條件大致相同的溫泉水文站、阿合奇水文站為參證站，并根據參證站已有的洪水及暴雨資料，推求托斯呼爾溝各計算斷面的設計洪峰流量。

溫泉水文站有1959—2010 年52 a 連續實測洪水資料，無水利工程影響，因此該站洪水系列具有很好的代表性、一致性和連續性。依據《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL44-1993）[2]，先查出參證站溫泉水文站1959—2010 年的年最大洪峰流量系列，再在按連續系列采用距法估算其統計參數的基礎上，通過適線法選配P-Ⅲ型頻率曲線，推求洪峰流量系列的統計特征值。參證站洪峰流量系列按連續系列進行頻率計算，其統計參數計算公式如下：

式中：XA為系列洪峰流量均值（m3/s）；n為實測系列年數（a）；S為系列標準差；Cv為系列變差系數；Xi為第i年的洪峰流量（m3/s）；Pm為排序第m位洪峰流量的經驗頻率；m為樣本排序[3]。

阿合奇水文站共有1961—1965、1979—1992 年水文部門觀測資料和1993—2010 年水管部門觀測資料，其設計洪峰流量計算方法同溫泉水文站設計洪峰流量計算方法。采用上述方法計算得溫泉水文站、阿合奇水文站設計洪峰流量，結果詳見表1。

表1 參證站設計洪峰流量計算成果

4 斷面設計洪峰流量計算

根據洪水資料條件，溫泉縣安格里格鄉托斯呼爾溝A1斷面設計洪峰流量采用以下方法進行計算：①以溫泉水文站和阿合奇水文站為參證站，結合洪峰流量模數法計算設計洪水；②選用推理公式法計算設計洪水；③采用調蓄經驗單位線法計算設計洪水并進行綜合分析比較，推薦較為合理的最終設計洪水成果，供規劃設計使用。

4.1 洪峰流量模數法推求設計洪水

根據參證站溫泉水文站和阿合奇水文站相應不同頻率設計洪峰流量模數，分別乘以托斯呼爾溝A1斷面以上集水面積126.2 km2，即可得到A1 斷面設計洪峰流量成果，詳見表2。

表2 A1斷面設計洪峰流量計算成果（洪峰流量模數法）

4.2 推理公式法計算設計洪水

根據《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL44-1993）中推薦的推理公式，由設計暴雨推求設計洪水。其計算公式如下：

式中：Qmp為設計頻率洪峰流量（m3/s）；ψ為洪峰徑流系數；SP為雨力（mm/h）；τ為流域匯流歷時（h），取5 h；n為暴雨遞減指數，取0.7；F為流域面積（km2），取126.2 km2；m為匯流參數，取1.603；J為河道縱坡降，取59.2‰；L為出口斷面以上沿河道至分水嶺的最長距離（km），取20.8 km。

設計暴雨參數n和SP由下式確定：

式中：P24p為24 h 雨量（mm）；P1dp為1 d 雨量（mm）；n為暴雨衰減指數，取0.7；K為1 d 雨量折算為24 h 雨量的換算系數，根據《新疆維吾爾自治區可能最大暴雨圖集》，結合天山北坡實際情況，取1.13[4]。

溫泉水文站不同頻率最大1 d降水量計算成果，詳見表3。

表3 溫泉水文站不同頻率最大1 d降水量計算成果

將上面相關參數代入式（5），計算A1斷面設計洪峰流量，結果詳見表4。

表4 A1斷面設計洪峰流量計算成果（推理公式法）

4.3 調蓄經驗單位線法計算設計洪水

以鄰近的溫泉水文站為參證站，由《新疆維吾爾自治區可能最大暴雨圖集》天山北坡地區時面深綜合曲線圖查出防洪治理河段A1 斷面以上集水面積24 h 點面折算系數，考慮到安格里格鄉托斯呼爾溝高程較參證站溫泉水文站高程高、氣候和下墊面條件相似，所以點面折算系數采用1.05，再將最大1 d 暴雨乘以轉換系數K，求得最大24 h 暴雨均值。轉換系數K采用全區統一值1.13。

利用《新疆維吾爾自治區可能最大暴雨圖集》查得天山北坡地區逐時雨量分配過程，假設產流歷時tc，在《新疆維吾爾自治區中小流域設計暴雨洪水圖集》產流綜合圖上查出相應產流期平均損失率f后，求得產流期雨量ptc，驗證tc是否合適。

產流期平均凈雨強度I凈計算公式為：

式中：I凈為產流期平均凈雨強度（mm）；R凈為凈雨總量（mm）；tc為產流歷時（h）。

式中：R凈為凈雨總量（mm）；ptc為產流期雨量（mm）；f為損失率（mm）；tc為產流歷時（h）。

利用集水面積F和I凈在匯流綜合圖上查得示儲小時數t0。設定參數tm，漲洪時段n，匯流計算時段Δt為1 h。采用下式計算調蓄經驗單位線公比b：

采用上式求以b為公比的無窮遞減等比級數u值：

Δt時段的凈雨量換算成凈雨流量Ii計算公式為：

Ii乘以u值，并依次疊加，便得出地面徑流過程，再合成基流即設計洪水過程線，其最大值即設計洪峰流量[5]。調蓄經驗單位線法計算A1斷面設計洪峰流量成果，詳見表5。

表5 A1斷面設計洪峰流量計算成果（調蓄經驗單位線法）

4.4 推薦采用設計洪水計算成果

安格里格鄉托斯呼爾溝洪水及降水資料貧乏，這給防洪工程建設設計洪水計算帶來了一定困難。為減小誤差、最大化地保障設計洪水計算結果的科學性，采用了3 種方法對安格里格鄉托斯呼爾溝出山口即A1斷面的設計洪水進行了計算，由于參證站和分析計算的方法不同，其設計洪峰流量成果也有一定的差距。現對各種計算方法及成果進行分析。

（1）洪峰流量模數法選用相鄰流域同一氣候區的溫泉水文站和阿合奇水文站作為參證站，這2 條河流產匯流及下墊面條件尤其是流域集水面積及河槽調蓄能力與托斯呼爾溝相差較大，所以該方法計算結果誤差較大，不太適宜。

（2）在推理公式法計算的各種參數中，用溫泉水文站為參證站，查出點面轉換系數，在1∶5萬地圖中量取托斯呼爾溝集水、河長及比降等信息，計算結果比較可靠，因此推薦采用推理公式法計算成果。

（3）調蓄經驗單位線法以溫泉水文站為參證站，對其實測雨量資料經過頻率計算，得到各設計斷面最大24 h 設計雨量，再經產匯流計算得到設計洪水成果。在計算過程中，選用的點面折算系數、最大1 d降水與最大24 h 降水轉換系數、站點降水量均為20世紀六七十年代數據，暴雨資料較少，時間較久。由于折算系數、轉換系數試驗數據較少，針對不同流域，其不確定性因素對計算成果會造成不同程度的誤差，難以反映最新的洪水變化情況。

安格里格鄉托斯呼爾溝洪水及降水資料貧乏，這給設計洪水計算帶來了一定的困難，本次采用3種方法對安格里格鄉托斯呼爾溝進行洪水分析計算，用以進行對比分析和相互驗證。所采用的設計暴雨推求設計洪水法、推理公式法和洪峰流量模數法，都是資料短缺或無資料地區在進行洪水分析計算中普遍使用的方法。通過以上分析可知，推理公式法計算成果比較接近，因此A1斷面的設計洪水成果選用推理公式法計算結果。

4.5 其他斷面設計洪水計算

安格里格鄉托斯呼爾溝共有4 處設計洪水節點。由于該區屬無水文資料地區，依據2011 年5 月和2011年12月洪水調查結果，計算A1斷面至A2斷面之間洪峰流量沿程每公里相對衰減率。A1 斷面洪峰流量為37.6 m3/s，A2斷面洪峰流量為34.5 m3/s，2 個斷面間距3.2 km，A2 至A3 斷面間距2.1 km，A3至A4斷面間距1.7 km。

斷面A1至A2洪峰流量沿程每公里相對衰減率計算公式如下：

式中：Ki為洪峰流量沿程每公里相對衰減率；Qms為上斷面洪峰流量（m3/s）；Qmx為下斷面洪峰流量（m3/s）[5]；Lsx為上下斷面間距（km）。

經計算，得Ki=0.0258。

各個斷面設計洪峰流量計算公式如下：

式中：Qgp為設計斷面設計洪峰流量（m3/s）；Qsp為上斷面設計洪峰流量（m3/s）；Ki為洪峰流量沿程平均每公里相對衰減率；Lsg為設計斷面距上斷面距離（km）。

經計算，得斷面A2、A3、A4 不同頻率設計洪峰流量，結果詳見表6。

表6 各斷面設計洪峰流量水計算成果m3/s

托斯呼爾溝流域在1500～1900 m 雪線以下的河谷及中、高山帶植被覆蓋良好，但部分區域為重大地質災害區。根據以上地質地貌特點以及洪水調查，A2斷面以下洪溝走向較為分散，沖淤變化較大；在暴雨洪水的沖擊下，A3 斷面附近曾有直徑約30 cm、高5 m 的樹木以及直徑20～40 cm 的石塊被沖下來。工程規劃時，應考慮山體滑坡、阻塞河道引發泥石流等可能產生的影響。

5 結語

由于托斯呼爾溝流域無水文、氣象資料，所以通過采用相鄰的其他流域水文資料和規范允許的多種方法進行防洪工程設計洪水計算。經過比較，推理公式法計算的A1斷面設計洪水成果較科學合理，切合實際。再通過洪峰流量相對衰減率計算出其他斷面處的設計洪水，這種計算方法和思路為無水文資料區多個工程節點的設計洪水計算提供了參考。由于托斯呼爾溝為小河溝，其洪水產、匯流機制與中小河流存在一定差異，所以本次所估算的洪水設計成果僅供本階段防洪工程設計使用。