新疆扎勒木特河流域不同洪水計(jì)算方法及成果合理性分析

程 濤

（新疆博爾塔拉水文勘測(cè)局，新疆 博樂(lè) 833400）

1 概況

扎勒木特河位于札勒木特鄉(xiāng)境內(nèi)、博爾塔拉河上游，是博爾塔拉河北岸的一級(jí)小支流。博爾塔拉河位于天山西部北部準(zhǔn)噶爾盆地西部，自西向東注入艾比湖，是一條內(nèi)陸河流。扎勒木特河位于博爾塔拉河上游，是博爾塔拉河北岸的一級(jí)小支流，最高海拔1981 m，集水面積76.1 km2，河長(zhǎng)18.9 km，平均坡降94.0%，河流流向大致為自北向南流。

2 洪水計(jì)算

根據(jù)洪水資料條件，扎勒木特河設(shè)計(jì)洪峰流量采用以下幾種方法進(jìn)行計(jì)算：（1）以溫泉水文站和阿合奇水文站參證站，結(jié)合洪峰流量面積指數(shù)法計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量；（2）選用相鄰流域的沙爾托海水文站、精河山口水文站和阿合奇水文站的設(shè)計(jì)洪水成果進(jìn)行綜合，采用區(qū)域洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線(xiàn)法計(jì)算洪峰流量；（3）推理公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水；（4）調(diào)蓄經(jīng)經(jīng)驗(yàn)單位線(xiàn)法計(jì)算洪水。并進(jìn)行綜合分析比較，最終選取較為合理的設(shè)計(jì)成果。

2.1 面積指數(shù)法

根據(jù)參證站溫泉水文站和阿合奇水文站洪水資料，用面積比指數(shù)法來(lái)推算扎勒木特溝的設(shè)計(jì)洪水，扎勒木特溝集水面積為76.1 km2，參證站溫泉水文站和阿合奇水文站集水面積分別為2206 km2和938 km2，根據(jù)計(jì)算公式：

式中：Q設(shè)、Q參為設(shè)計(jì)斷面和參證站的設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；F設(shè)、F參為設(shè)斷面和參證站的集水面積，km2。

由了以上公式即可得到設(shè)計(jì)斷面洪水成果，見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)洪峰洪量成果表

2.2 區(qū)域洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線(xiàn)法

該方法用洪水調(diào)查法推求小流域設(shè)計(jì)洪水，為無(wú)資料地區(qū)洪水計(jì)算的常用方法之一。這個(gè)方法首先要繪制一條洪峰流量地區(qū)綜合頻率曲線(xiàn)。即將水文分區(qū)內(nèi)（常以頻率曲線(xiàn)的接近程度來(lái)分區(qū)）各水文站各種頻率的流量換算為模比系數(shù)并點(diǎn)繪在同一張概率格紙上，合理選配P-Ⅲ型頻率曲線(xiàn)，繪出一條綜合的頻率曲線(xiàn)，這條頻率曲線(xiàn)就是地區(qū)的綜合頻率曲線(xiàn)。并根據(jù)扎勒木特溝渠首歷史洪水調(diào)查成果，計(jì)算其設(shè)計(jì)洪峰流量。

設(shè)歷史洪峰流量為Q1，其發(fā)生的頻率為P1；設(shè)計(jì)頻率為P，設(shè)計(jì)洪峰流量為Qp。由P1及P在綜合頻率曲線(xiàn)上查出相應(yīng)的模比系數(shù)為K1及Kp，則設(shè)計(jì)洪峰流量Qp可按下式計(jì)算：

式中：Qp為設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；Kp為設(shè)計(jì)洪峰流量模比系數(shù)；K1為調(diào)查洪水洪峰流量模比系數(shù)；Q1為調(diào)查洪水洪峰流量，m3/s。

在此，選取扎勒木特溝周邊的烏爾達(dá)克賽河阿合奇水文站、大河沿子河沙爾托海水文站、精河山口水文站為參證站，繪制的地區(qū)洪峰流量的綜合頻率曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。年，利用地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線(xiàn)，計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量，其成果見(jiàn)表3。

表2 地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)設(shè)計(jì)K值計(jì)算成果表

圖1 地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線(xiàn)圖

圖2 地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線(xiàn)圖調(diào)查到2006年洪水洪峰流量66.9 m3/s，洪水重現(xiàn)期為33

表3 扎勒木特溝渠首各種頻率洪峰流量計(jì)算表

3.3 推理公式法

推理公式法是根據(jù)暴雨資料計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。暴雨資料采用溫泉水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL 44-2006）中推薦的推理公式分析計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，基本公式如下：

式中：Qm為洪峰流量（m3/s）；Ψ 為洪峰徑流系數(shù)；Sp為設(shè)計(jì)頻率的雨力（mm/h）；τ為匯流時(shí)間（h）；m為匯流參數(shù)；l為沿主河出口斷面至分水嶺的最長(zhǎng)距離（km）；J為沿流程l的平均比降； F為流域面積（km2）；n為暴雨衰減指數(shù)。

點(diǎn)繪溫泉水文站最大一日降雨量經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù)，P-Ⅲ線(xiàn)型矩法目估適線(xiàn)，計(jì)算出不同頻率最大一日降雨量Hp，見(jiàn)圖3及表4。

表4 溫泉水文站最大一日、24小時(shí)降雨量與溫泉水文站最大24小時(shí)點(diǎn)降雨量、匯水區(qū)面降雨量頻率計(jì)算成果表

圖3 溫泉水文站最大一日降雨量頻率曲線(xiàn)圖

根據(jù)計(jì)算要求，年最大日雨量需換算成年最大24小時(shí)雨量，換算辦法是將日雨量乘以大于1.0的系數(shù)，即

在實(shí)際應(yīng)用計(jì)算中，設(shè)計(jì)頻率的雨力Sp通常采用同頻率的年最大24小時(shí)降雨量H24計(jì)算，公式為：

經(jīng)計(jì)算，扎勒木特渠首以上集水面積76.1 km2，河長(zhǎng)10.1 km，主河道平均縱比降0.045，土壤損失參數(shù)R、r分別選用0.93和0.63，洪水匯流參數(shù)值取0.516。參證扎勒木特流域及河道特征參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨資料，采用推理公式推求扎勒木特渠首設(shè)計(jì)洪峰流量，計(jì)算成果見(jiàn)表5。

表5 扎勒木特河設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

2.4 調(diào)蓄經(jīng)經(jīng)驗(yàn)單位線(xiàn)法

以鄰近的溫泉水文站為參證站，采用最大一日降水資料進(jìn)行分析計(jì)算。

1）根據(jù)溫泉水文站最大一日降水資料，經(jīng)過(guò)頻率計(jì)算(見(jiàn)圖4)，分別推算不同頻率設(shè)計(jì)最大一日降水量，成果見(jiàn)表6。

2）由《新疆維吾爾自治區(qū)可能最大暴雨圖集》天山北坡地區(qū)時(shí)面深綜合曲線(xiàn)圖，查出斷面以上集水面積24小時(shí)點(diǎn)面折算系數(shù)，考慮到扎勒木特河高程較參證站溫泉?dú)庀笳靖叱谈摺夂蚝拖聣|面條件相似，因此，由降水等值線(xiàn)圖量算面平均雨量與溫泉水文站點(diǎn)雨量進(jìn)行確定，扎勒木特溝渠首以上流域多年平均降水量為585.2 mm。扎勒木特溝渠首壩址海拔分別為2761 m；溫泉水文站多年平均降水量為225.0 mm，溫泉水文站海拔為1321 m，用扎勒木特溝渠首海拔與溫泉水文站海拔相比，算出扎勒木特溝渠首降水量為470.2 mm，所以點(diǎn)面折算系數(shù)上下壩址分別采用1.240。將最大一日暴雨乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)K，求得最大24小時(shí)暴雨均值。轉(zhuǎn)換系數(shù)K采用全區(qū)統(tǒng)一值1.13。

3）利用《新疆維吾爾自治區(qū)可能最大暴雨圖集》查得天山北坡地區(qū)逐時(shí)雨量分配過(guò)程。

4）根據(jù)雨量分配過(guò)程假設(shè)產(chǎn)流歷時(shí)tc，在《新疆維吾爾自治區(qū)中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》產(chǎn)流綜合圖上查出相應(yīng)產(chǎn)流期平均損失率f后，求得產(chǎn)流期雨量ptc，驗(yàn)證tc是否合適。

5）計(jì)算產(chǎn)流期平均凈雨強(qiáng)度I凈。

6）用集水面積F和I凈在《新疆維吾爾自治區(qū)中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》匯流綜合圖上查得示儲(chǔ)小時(shí)數(shù)t0。

7）設(shè)定參數(shù)tm，漲洪時(shí)段n，匯流計(jì)算時(shí)段△t。

8）用下式求調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)單位線(xiàn)公比：b=（t0-0.5×Δt)/(t0+0.5×Δt)

9）用上式求以b為公比的無(wú)窮遞減等比級(jí)數(shù)u值，u1=(1-b)，u2=(1-b)b，u3=(1-b)b2。

10）將△t時(shí)段的凈雨量換算成凈雨流量Ii。

11）i乘以u(píng)值，并依次疊加，便得出地面徑流過(guò)程，再合成基流即設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(xiàn)，其最大值即設(shè)計(jì)洪峰流量。設(shè)計(jì)成果見(jiàn)表6及圖4。

表6 溫泉水文站最大一日降水量頻率計(jì)算成果表

圖4 溫泉水文站最大一日降水量頻率曲線(xiàn)圖

表7 扎勒木特溝渠首設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

3 成果合理性分析

（1）洪峰流量模數(shù)法選用相鄰流域同一氣候區(qū)的溫泉水文站和阿合奇水文站作為參證站，這兩條河流產(chǎn)匯流及下墊面條件，尤其是流域集水面積及河槽調(diào)蓄能力與托斯呼爾溝相差較大，因此，采用參證站的設(shè)計(jì)成果推求各計(jì)算斷面的設(shè)計(jì)值也可能存在一定差異。

（2）地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線(xiàn)法是規(guī)范推薦的用于資料短缺且僅有調(diào)查洪水資料的河流設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的常用方法。該方法將同一氣候區(qū)各參證站的洪水資料綜合在一起進(jìn)行分析，從而降低設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果的抽樣誤差，消除個(gè)別年份個(gè)別站點(diǎn)受特大值影響帶來(lái)的偶然誤差和各站由于水文特性差異造成的差別，綜合出地區(qū)洪水的規(guī)律性，充分利用設(shè)計(jì)流域調(diào)查洪水資料，以解決無(wú)洪水資料流域的設(shè)計(jì)洪水問(wèn)題。考慮到扎勒木特溝局地洪水發(fā)生較頻繁，采用地區(qū)綜合的均值線(xiàn)法的KP值精度較高。

（3）推理公式法計(jì)算中涉及較多參數(shù)，參數(shù)的準(zhǔn)確與否，直接影響計(jì)算精度。在推理公式法計(jì)算的各種參數(shù)中，暴雨衰減指數(shù)n不確定性大，而且n值變化對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果影響也較大。暴雨過(guò)程中年最大時(shí)段暴雨Xt，P與暴雨歷時(shí)t的暴雨公式屬于經(jīng)驗(yàn)相關(guān)關(guān)系，忽略了不少影響因素，因此，公式中參數(shù)n值不會(huì)是穩(wěn)定不變的。扎勒木特溝流域內(nèi)無(wú)雨量站，暴雨設(shè)計(jì)的計(jì)算直接引用的是參證站溫泉水文站的時(shí)段資料，計(jì)算該設(shè)計(jì)流域的n值，因此，設(shè)計(jì)洪水成果存在一定誤差。

（4）調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)單位線(xiàn)法以溫泉水文站為參證站，對(duì)其實(shí)測(cè)雨量資料經(jīng)頻率計(jì)算，得到各設(shè)計(jì)斷面最大24小時(shí)設(shè)計(jì)雨量，經(jīng)產(chǎn)匯流計(jì)算得到設(shè)計(jì)洪水成果。在計(jì)算過(guò)程中，選用的點(diǎn)面折算系數(shù)、最大一日降水與最大24小時(shí)降水轉(zhuǎn)換系數(shù)均借用1984年分析的《新疆維吾爾自治區(qū)可能最大暴雨圖集》數(shù)值，采用的站點(diǎn)降水量多為20世紀(jì)60、70年代降水量，暴雨資料較少；由于折算系數(shù)、轉(zhuǎn)換系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，針對(duì)不同流域，其不確定性因素對(duì)計(jì)算成果會(huì)造成不同程度的誤差。計(jì)算結(jié)果作為參考。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)四種方法分別計(jì)算的扎勒木特河出山口斷面設(shè)計(jì)洪水成果，因資料條件和計(jì)算方法不同，最終計(jì)算的設(shè)計(jì)洪峰流量成果也有一定的差距，通過(guò)對(duì)各種計(jì)算成果合理性分析，以為采用地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線(xiàn)值線(xiàn)法計(jì)算洪峰流量成果作推薦的洪峰流量成果合理。