開都河和托什干河梯級地區洪水組成分析

馬永紅，劉國慶

1 流域概況

開都河流域位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內，為塔里木河的四大源流之一。開都河為一內陸河流，發源于海拔4315 m的天山山脈中部依連哈比爾尕山南麓薩爾明山，流經大小尤爾都斯盆地巴音布魯克大草原，中游穿越呼斯臺西里至大山口的峽谷段，區間匯入的較大支流有：薩很托亥、霍爾古圖、察汗烏蘇等河流，出山口后流向東南，注入博斯騰湖。河流全長525 km，博斯騰湖以上流域面積22550 km2，大山口水文站以上流域面積18740 km2。

托什干河是新疆南疆第一大河阿克蘇河的兩大支流之一（阿克蘇河兩大支流分別為托什干河和庫瑪拉克河），其發源于吉爾吉斯斯坦共和國境內的闊科沙嶺山脈，在阿克蘇市西大橋以上12.4 km處的喀拉都維處與庫瑪拉克河匯合，始稱阿克蘇河。托什干河由吉爾吉斯斯坦進入我國后，分別流經克孜勒蘇柯爾克孜自治州的阿合奇縣和阿克蘇地區的烏什縣。托什干河從河源至與庫瑪拉克河匯合口全長457 km（其中我國境內全長361.5 km），河道平均坡降5.5‰，沙里桂蘭克水文站以上集水面積19166 km2（其中吉爾吉斯斯坦境內集水面積8170 km2），多年平均年徑流量28.35億 m3。

2 洪水成因

2.1 暴雨特性

開都河流域的暴雨成因，從環境形勢與天氣系統而言，多屬于“北高南低型”，此環流形勢北部為高壓脊，南部為低壓槽式低渦。流域地形向南傾斜開口，為偏西方向水汽的迎風坡，是新疆暴雨多發生地區之一。在本區域內無明顯的長歷時（24小時）暴雨中心位置，降雨高值區多沿等高線分布。降雨強度以及雨區中心的位置，具有較大的偶然性。

阿克蘇河流域各干支流是以冰雪消融補給為主的河流，盛夏大規模的冰雪消融是河流洪水形成的最基本原因，此外，該流域又是新疆的集中降雨區之一，暴雨洪水發生的頻次較高，其中，由于托什干河集水面積中所含中低山區的集水面積相對較大，暴雨洪水發生的頻次高于支流庫瑪拉克河。

2.2 區間洪水劃區

開都河與托什干河相似，中游河段上下游都有兩個水文站控制，開都河上游為薩恨托海水文站，下游為大山口水文站；托什干河上游為契恰爾水文站，下游為沙里桂蘭克水文站。

分析已有的實測降雨、洪水資料，開都河的洪水主要產生于薩恨托海至大山口區間，大洪水一般主要為暴雨形成，而一般中小洪水多為冰雪消融形成及降雨和冰雪融化所形成。前種類型的洪水陡漲陡落，后種類形的洪水漲落緩慢，且連續數天，峰、谷有明顯的周期變化。

開都河的暴雨中心在薩恨托海站～大山口站區間，其中主要在薩恨托海站～哈爾嘎廷郭勒梯級之間，而哈爾嘎廷郭勒梯級以下雨量銳減，且梯度較大。為了便于推求薩恨托海站～大山口站區間各規劃梯級的洪水，故考慮薩恨托海站～大山口站區間劃分為兩雨區：薩恨托海站～大山口站區間總面積為3976 km2，即薩恨托海～哈爾嘎廷郭勒梯級為一分區，匯水面積為1987 km2，而哈爾嘎廷郭勒梯級～大山口站為二分區，匯水面積也為1989 km2，兩個分區的匯水面積各占薩恨托海站～大山口站區間面積的近二分之一。

一分區基本為年降水量400 mm等值線包圍的范圍，區內雨量梯度不大，二分區的年降水量范圍水量由400 mm降至100 mm左右，為開都河雨量梯度大值區。但是鑒于實測資料所限，薩恨托海站～大山口站之間的雨量梯度按直線變化處理。

根據薩恨托海及大山口兩站七場大雨實測資料繪制雨量概化線（直線），即兩站雨量分別除以薩恨托海站雨量。并有七場概化線進行綜合，求繪一條代表線。一分區中心讀數0.87，二分區中心讀數0.54，則一分區占的比例為0.62，二分區為0.38，各梯級比例系數見表1。

表1 各梯級面積占分區比例及系數K值表

假定薩恨托海站～大山口站區間洪水的產洪系數相等，假定在同一個分區內產洪量是均勻的，則薩～大區間的洪水量中有62%來自一分區，38%來自二分區，這樣只要求出薩～大區間洪水量值，即可求得一、二分區的洪水量值。

3 開都河、托什干河中游河段地區洪水組成

圖1 開都河中游河段各梯級洪水量值分析圖

圖1 中橫坐標代表開都河中游河段薩恨托海水文站和大山口水文站之間各梯級的集水面積，縱坐標代表水文站及各梯級洪水量值。

考慮薩大區間洪水的不均勻性，薩大區間洪水分為兩個分區。圖1中AC段表示薩恨托海水文站獨立選樣洪水量值；BD段表示大山口水文站獨立選樣洪水量值；CK表示一分區暴雨洪水的梯度變化，一分區暴雨集中，洪水梯度變化較大；KD表示二分區暴雨洪水的梯度變化；DE表示薩大同頻，相減得區間相應洪水；CK、KD與各梯級縱線相交點表示各梯級洪水量值。圖中各線段的相對位置符合各水文站及各梯級洪峰、各時段洪量場次洪水的變化規律，也符合峰、量的均值及各頻率設計洪水的變化規律。

3.1 地區洪水組成

三種組合方式：

（1）薩恨托海水文站和大山口水文站同頻，區間相應；

（2）薩恨托海水文站和大山口水文站區間與大山口水文站同頻，薩恨托海水文站相應；

（3）薩恨托海水文站和大山口水文站區間與薩恨托海水文站同頻，大山口水文站相應。

3.2 開都河地區洪水組成各組合洪水分析

第（3）種組合方式由于樣本的選取是以薩恨托海水文站為主，薩恨托海水文站融雪洪水量值較小，考慮匯流時間差10小時后，相應大山口水文站洪水，這一洪水遠小于第（1）種組合中BD段大山口水文站獨立選樣洪水量值，因此無論區間洪水還是各梯級洪水，計算的量值都很小，第（3）種組合方式不是安全的組合方式。

第（2）種組合方式薩大區間洪水量值較大，區間洪水可計算得較為準確，但是我們的目的是計算各梯級洪水，需將區間洪水與薩恨托海水文站疊加，或大山口水文站與區間洪水相減，才能得到各梯級洪水。這樣就出現了與薩恨托海水文站如何疊加的問題。

經分析試算，三種疊加方式多為不安全的組合方式，因此第（2）種組合方式不為安全的組合方式。

第（1）種組合方式CK、KD表示的各梯級洪水從量值上分析是安全的，從水量上論證，在考慮區間洪水不均勻性的基礎上各梯級洪水不會出現倒置，符合水量平衡原理。因此采用第（1）種組合方式計算各梯級洪水。

3.3 托什干河地區洪水組成各組合洪水分析

圖2 阿克蘇河托什干河中游河段各梯級洪水量值分析圖

對于阿克蘇河托什干河中游河段各梯級洪水的分析從圖2可看出：托什干河中游河段與開都河中游河段相似，托什干河中游河段也有兩個水文站控制，上游有契恰爾水文站，下游有沙里桂蘭克水文站。所不同的是區間下游有支流玉山古西河匯入，算上水文站和支流匯入，共有11個控制斷面。玉山古西河上有3個梯級。圖2中KY、KY1、KY2分別表示玉山古西水利樞紐、玉山湖一級、玉山湖二級。

地區洪水組成也有三種組合方式與開都河中游河段不同的是區間暴雨較為均勻，不分區，但有玉山古西河匯入，三種地區洪水結果有不同的變化。

第（2）種組合方式契沙區間洪水量值較大，為了計算各梯級洪水，需將區間洪水與契恰爾水文站疊加，或沙里桂蘭克水文站與區間洪水相減，才能得到各梯級洪水。同樣會出現了與契恰爾水文站如何疊加的問題。

SS′區間洪水如果與第（2）種組合方式契恰爾水文站相應的AQ′段洪水疊加，各梯級洪水沿 Q′K′、K′S 增加，顯然小于第（1）種組合方式，各梯級洪水沿QK、NS增加的量值。顯然第（2）種組合方式計算的各梯級洪水量值偏小，不安全。如果增加契沙區間洪水量值，必然要減少玉山古西河各梯級洪水量值，因為沙里桂蘭克水文站控制了上游兩河來水。如果不減少玉山古西河洪水量值，契沙區間各梯級洪水量值就會增加，與玉山古西河洪水量值疊加，必然大于沙里桂蘭克水文站實測最大獨立選樣洪水，洪量計算不滿足水量平衡原理，洪峰計算無法說明各梯級與水文站的相互關系。SS′區間洪水如果與第（1）種組合方式契恰爾水文站相應的AQ段洪水疊加，因為SS′的由來是契恰爾水文站相應的AQ′段洪水，SS′區間應與AQ′段洪水疊加。若要SS′區間洪水與AQ段洪水疊加，各梯級洪水沿QK″、K″S″變化。若玉山古西河洪水量值不變，結果托什干河各梯級洪水量值較大，到沙里桂蘭克水文站斷面得BS″段洪水，大于沙里桂蘭克水文站實測最大獨立選樣洪水量值，顯然不合理。大出的 SS″洪水與第（1）、第（2）種組合方式區間洪水差值QQ′相等。顯然是SS′區間洪水與最大獨立選樣契恰爾水文站疊加帶來的差值。同樣各梯級洪水按QK″、K″S″分布，則在別迭里梯級洪水量值會出現倒掛，也就是這級洪水大于沙里桂蘭克水文站實測最大獨立選樣洪水，這級與沙里桂蘭克水文站區間洪水為負值。因此是不合理的。

4 結論

通過兩河段地區洪水組成圖解說明，各梯級洪水量值分析，第（1）種組合方式即上下游水文站同頻，區間相應的組合方式計算的各梯級洪水從量值上分析是安全的，從水量上論證，在考慮區間洪水不均勻性的基礎上各梯級洪水不會出現倒置，符合水量平衡原理，從理論分析到實測驗證都是合理可靠的。因此第（1）種組合方式是較優、安全的。