吐魯番市黑溝水庫下游防洪設計洪水及承載力分析

夏克爾江·艾尼

（新疆吐魯番水文勘測局，新疆 吐魯番 838000）

黑溝發源于博格達山南坡堅霍臘達坂，源頭區有4條冰川面積為0.71 km2。河流由東北流向西南，出山口后，呈散流狀，流經七泉湖鎮后滲入地下。河流出山口以上集水面積180 km2，河長22.1 km。擬建的黑溝水庫壩址（上、下壩址）位于出山口以上約1.0 km處，上、下壩址相距0.3 km。為確保擬建水庫工程對下游防洪抗旱發揮最佳效益，開展黑溝水庫下游防洪對象洪水影響分析是必要的。

1 水庫下游防洪保護對象及洪溝分布

1.1 防洪對象

為了準確計算各防洪工程斷面的設計洪水和最大承載能力，根據黑溝河上下游洪水成因和沿程變化，從下壩址到二堡鄉防洪斷面之間共布設了5個斷面，A斷面位于黑溝水庫下壩址（引水渠首）,A1斷面位于黑溝水庫下壩址以下3.5 km出山口處，是1981年7月19日洪水調查斷面；B斷面位于吐魯番高昌區千佛洞景區上游0.30 km，離A斷面下游32.5 km，是本次防洪工程設計斷面，該斷面保護對象主要為千佛洞景區和新、老312國道。C斷面位于勝金臺和勝金口水庫下泄量匯合處，與B斷面有3.8 km左右, 根據《勝金臺、勝金口水庫除險加固工程工程初步設計報告》，勝金臺水庫設計洪水標準30年一遇（最大下泄流量2.76 m3/s），100年一遇（最大下泄流量3.93 m3/s）。勝金口水庫設計洪水標準30年一遇（最大下泄流量11.61 m3/s）；校核洪水標準100年一遇（最大下泄流量11.76 m3/s），所以不用進行洪水分析。D斷面是C斷面和火焰山暴雨洪水疊加區，該斷面位于二堡鄉、312國道下游460 m處，距B斷面4.3 km。該斷面保護對象是勝金鄉。

1.2 洪溝分布情況

黑溝水庫下壩址為A斷面（黑溝引水渠首）以下洪水主要沿主河床順流而下，由于河床覆蓋層厚，平時河床呈干涸狀態，洪水沿程大量下滲，造成洪水沿程遞減。因此，A斷面以下，河道洪水為遞減區間。但煤窯溝與黑溝之間、黑溝與恰勒坎之間分布有多條山洪溝，當遭遇大尺度的天氣過程時，所形成暴雨范圍廣，持續時間長，降水量大，常常形成區域性暴雨洪水。

各流域區間洪溝分布如下：煤窯溝和黑溝區間有1條洪溝，命名為Ⅰ號洪溝：洪水流入到勝金鄉，流經B和D斷面。黑溝河天然河道，命名為Ⅱ號洪溝：洪水流入勝金鄉，流經B和D斷面。黑溝河和恰勒坎河區間1條洪溝，命名為Ⅲ號洪溝：洪水流入勝金鄉，流經B和D斷面。黑溝和恰勒坎河區間較大洪溝，命名為Ⅳ號洪溝；洪水流經D斷面。恰勒坎與二塘溝河區間洪溝，命名為Ⅴ號洪溝，洪水流經D斷面。火焰山山脈洪溝，命名為Ⅵ號洪溝，發生暴雨洪水流入到D斷面。各防洪斷面分布情況見圖1。

圖1 黑溝水庫下游各防洪斷面布置示意圖

2 洪水調查分析

黑溝目前僅有1981年6月21日、1998年、2005年8月、2012年和2015年發生的較大洪水的調查資料。其中，1981年洪災較嚴重，所以以1981年調查洪水進行值確定。

2.1 A防洪斷面(渠首)洪水調查調查值的確定

2015年5月23日和1981年7月分別對A斷面1981年6月21日洪水，在渠首以下0.1 km和3.5 km處進行過洪痕調查，計算相應洪峰流量分別為162 m3/s和145 m3/s。從理論上分析，說明渠首閘以上為洪水疊加過程，渠首以下為洪水逐漸衰減的過程；從現場實際河床形態分析，引水渠首以上河床狹窄，洪水集中；渠首以下河床逐步演變成寬淺河床，洪水成散流形態，是洪峰消減的主要成因；因此，認為上述調查計算值合理。其洪水考證期為2015-1970+1=46年，重現期為47年。

2.2 B防洪斷面洪水調查值的確定

1981年千佛洞洪水調查斷面位于B防洪斷面下游480 m處，區間無支流匯入和支出，區間面積也很小，區間洪水可以忽略，因此，本次1981年6月21日千佛洞洪水調查斷面和B防洪斷面作為同一斷面處理，其洪峰流量為215 m3/s。洪水考證期為2015-1970+1=46年，重現期為47年。

2.3 D防洪斷面洪水調查值的確定

D防洪斷面（二堡鄉防洪斷面）：此段主槽寬有40 m～150 m左右，左岸是防洪壩，右兩茂密的蘆葦，河床由細砂組成。由于人工破壞比較嚴重，河床中無法找到明顯的洪水痕跡，難以確定其洪峰流量值。

3 參證站洪水系列分析及設計洪水計算

黑溝河流域以西依次分布有煤窯溝、大河沿、塔爾朗河流域，東邊有恰勒坎、二塘溝、柯柯亞、坎爾其河流域。其中，煤窯溝水文站具有長系列的水文資料，其余河流均為根據水利工程建設需要設立的短期站和巡測站。本次計算采用煤窯溝站39年（1976年～2014年）洪峰系列和1969年特大洪峰組成的不連序40年系列進行設計洪峰的分析計算。計算結果見表1。

表1 煤窯溝水文站設計洪峰流量成果表

4 黑溝水庫下游各防洪斷面設計洪水計算

4.1 A斷面設計洪水計算

A斷面除了洪水調查值外，沒有任何洪水資料。其設計洪水計算即以煤窯溝站作為參證站進行分析計算。分別采用推理公式法、洪峰模數法和洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法對A斷面設計洪峰流量進行計算，計算結果見表2。

表2 A斷面設計洪峰流量成果對比表

洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線法選用氣候、地形條件基本相似、有實測資料的河流洪峰頻率曲線作地區綜合分析，可降低計算成果的抽樣誤差。但計算成果較其他兩種方法明顯偏小。

洪峰模數法:黑溝與參證流域地處同一氣候分區，其流域特性、下墊面和洪水特性也具有相似性，故可直接移用參證站相同頻率的洪峰模數估算。

推理公式法：本次選用煤窯溝水文站最大一日和24小時點降水量，再用《新疆可能最大暴雨圖集》中的相應資料進行校對，發現具有較好的代表性；暴雨衰減、土壤損失等參數的選用主要參考了設計洪水常用教材中提供的試驗數據，選用依據不充分，計算結果偏大。

經上述分析，基于水庫設計安全，本報告建議采用洪峰模數法計算成果，作為本次A控制斷面設計洪水最終成果。

4.2 B、D斷面（本次防洪工程設計斷面）設計洪水計算

首先確定來自A斷面的洪水在A、B和A、D斷面區間的河道洪水損失率，計算遞減后的各斷面設計洪水后，再加A、B和A、D斷面區間暴雨洪水來計算B、D斷面設計洪水。

（1）洪水衰減率分析

由于黑溝上下游均缺乏洪水資料，下游各防洪斷面無法找出明顯的洪水痕跡，加之上下游只有一個洪水調查值，本次采用黑溝河上下游洪水調查值和臨近河流（煤窯溝和喀爾于孜薩衣溝）上下游洪水衰減率資料綜合確定黑溝河下游洪水衰減率。

根據黑溝及臨近河流煤窯溝站和喀爾于孜薩衣溝計算出每公里平均衰減率為2.53%，但是黑溝河和煤窯溝河是臨近河流雖然集水面積相差較大，但是煤窯溝河上下游河床變化基本接近，喀爾于孜薩衣溝屬于煤窯溝河下游洪溝其河床組成和趨勢變化來分析與黑溝河下游相似，因此本次計算從偏于安全考慮取用黑溝、煤窯溝和喀爾于孜薩衣溝每公里平均衰減率為2.5%來計算黑溝河下游各防洪斷面設計洪水較為合理的。

（2）B、D斷面（本次防洪工程設計斷面）設計洪水計算

根據前邊的分析論證，A斷面衰減后的設計洪水加Ⅰ、Ⅱ號洪溝設計暴雨洪水作為B斷面設計洪水成果。由于Ⅳ、Ⅴ號洪溝從不同方向流入勝金臺和勝金口水庫，經水庫洪水調節進行下泄，因此，D斷面設計洪水應等于B斷面衰減到D斷面設計成果再加水庫最大下泄量和Ⅵ號洪溝設計成果。其成果見表3。

表3 B、D設計斷面設計洪水成果表

4.3 最大承載能力

本次通過黑溝水庫下游B、D各防洪斷面橫斷面進行測量，可計算處各防洪斷面最大承載洪水能力。計算步驟如下：

①首先，用調查到的橫斷面成果，計算出各級水位級對應的面積和水力半徑。

②河道比降：A斷面有洪水位計算比降；其他斷面無法找出洪水明顯的痕跡，因此采用測時水位計算出水面比降。計算結果B斷面上、中、下洪水比降取為0.0168、0.0131、0.0147。D斷面上、中、下洪水比降取為0.0089、0.0367、0.0161。采用三斷面約束法估算糙率，其B斷面估算糙率值在0.030至0.064之間，D斷面估算糙率值0.018至0.063，兩個設計斷面中斷面作為本報告B、D斷面控制斷面，糙率取值分別為 0.030、0.063。

由曼寧公式計算各級水位級對應的洪峰流量：B斷面，河寬有45 m，兩岸高有5 m左右，計算最大承載洪水751 m3/s。D斷面，河寬有640 m，通過計算最大承載洪水2971 m3/s。

5 結語

由于黑溝無洪水衰減實驗數據，根據通過的報告中洪水衰減成果和本次場次洪水調查洪峰流量綜合分析，確定黑溝下游洪水每公里平均衰減為2.5%。根據黑溝河下游主要有新老蘭新鐵路、勝金鄉、千佛洞、312國道和二堡鄉灌區等主要防護，為了方便計算共布設A、B、C、D四個控制斷面，其中B和D是防洪對象斷面。根據各防洪斷面實際情況用曼寧公式計算各級水位級對應的洪峰流量，通過計算B斷面最大能承載7513/s的洪水，D斷面最大能承載2971 m3/s的洪水，為水庫建設及沿河防洪工程建設提供參考。