哈密小流域設計洪水計算方法與分析

吳江濤

（新疆維吾爾自治區哈密水文水資源勘測局,新疆 哈密 839000）

哈密市小流域一般缺乏水文實測資料，設計洪水的計算一直是水文工作者研究與探討的熱點。水文工作者常用計算方法有推理公式法、產匯流調蓄經驗單位線法等。近年來隨著哈密市一些供水與輸水工程的實施，小流域洪水計算成為工程水文分析的重點，分析與研究小流域內的洪水計算為水文工作者針對水利工程提出了新的見解及方法。恰堡引水渠首位于哈密市西部沖洪積平原區，上游山區為三、四道溝流域，設計流域北與德外里克鄉相連，東與二堡鄉相連，西與七角井為鄰，南為五堡鎮。本文采用實地洪水調查分析、概率統計以及推理公式驗證的方法分析該小流域設計洪水。

1 區域概況及自然地理

恰堡引水渠首位于哈密市西部沖洪積平原區，上游山區為三、四道溝流域，設計流域北與德外里克鄉相連，東與二堡鄉相連，西與七角井為鄰，南為五堡鎮。渠首位于東西白楊溝匯合處下游，全流域在哈密市境內。恰堡為地下水出露后匯合而成的泉水河，流經三堡、四堡、五堡，沿途兩岸分布有坎兒井，灌溉期過后水流均匯入河道，農閑水蓄入五堡水庫。恰堡源頭泉眼位于蘭新鐵路南部，匯合口到泉眼處距離約4. 0 km。匯合處到上游出山口處集水面積358 km2。

設計流域位于吐魯番～哈密凹陷帶，吐魯番～三道嶺～回莊子大斷裂橫穿研究區，在地貌上形成斷崖高達10 m左右，河槽為礫質沙土構成，遇風雨和洪水易坍塌。河道兩邊長有少量的胡楊林，山坡荒地生長有麻黃、泡泡刺、假木賊、木鹽礫漠等。流域下游為農作物、牧草、林木種植區。區域內土壤主要為沙土和灌溉棕漠土。由于地形影響風蝕作用明顯,形成許多風蝕殘丘和風蝕洼地。土壤沙化嚴重。

2 洪水的調查與分析計算

2.1 洪水類型、特性及成因分析

恰堡引水渠首的洪水主要來源于夏季暴雨和局部區域大暴雨。路徑一：312 高速路面戈壁灘下的暴雨洪水；路徑二：柳樹泉農二連（三堡）流過來的洪水；路徑三：三柳樹泉農二連（阿伊它木）道溝山區洪水、三、四道溝流域山前坡面洪水，都進入恰堡引水渠首。

暴雨常發生在夏季6月～7月，暴雨成因分析可分成兩種類型：一種是局部性暴雨洪水，特點為雨區范圍小、強度大、歷時短、匯流迅速，洪水往往來勢兇猛、陡漲陡落，峰高量小，持續時間短，洪水帶來的泥沙，對渠首的淤積危害較大；另一類是大范圍的暴雨洪水，這類洪水常伴有大的天氣過程，在夏季西風環流大型天氣系統移動過境時，造成山區大范圍的降水，形成較大的洪水。

2.2 洪水調查資料情況

1992 年6 月19 日，該區域發生較大暴雨洪水，沖毀312 國道沿線多處路段，東西白楊溝大橋及四堡大橋均被沖毀，給下游人民財產造成慘重的損失。新疆哈密水文水資源勘測局對蘭新鐵路暴雨區范圍進行實地勘測,由于調查及時，洪痕明顯清晰，參照《水文測驗規范》及采用試算法基本計算公式（見式（1）、式（2））,計算匯入大小白楊溝匯合口處的洪峰流量為108 m3/s（恰堡）。此斷面在閘址斷面以上1.0 km。

2007年7月，哈密市發生大范圍洪水災害，該區域受災最為嚴重，2009年9月19日,為修建蘭新高鐵鐵路對大小白楊溝匯合口處洪水斷面上下游的歷史洪水進行了詳細的調查，計算斷面位于大小白楊溝匯合處，進行實地踏勘，并對2007年7月洪痕位置進行測量參照《水文測驗規范》及采用試算法基本計算公式（見式（1）、式（2）），根據計算2007年7月洪峰流量為189.8 m3/s。此斷面在閘址斷面以上0.54 km。

2015 年5 月五堡鎮發生了局地暴雨洪水，在現場對各計算斷面洪水進行實地踏勘，并對洪痕位置進行測量，糙率系數n值的選定，因為沒有實測資料，只能根據以前洪水調查選用的糙率值及相鄰流域主要河流的糙率，以及調查河段特征、洪水坡度等因素，并按《水文調查規范》對各種情況河道的糙率進行分析，確定本次洪峰流量計算的糙率取用值。本次調查斷面到閘址的距離為1.07 km，上、中、下斷面n值分別為0.043、0.031、0.034，詳細計算見表1。計算出恰堡渠首的洪峰流量為154 m3/s，該調查值較可靠。

設計流域植被、河床組成、下墊面情況、洪水漂浮物和含沙量等情況與其較為相似，參照《水文測驗規范》及該縣其它區域以前洪水調查情況分析，結合本河區測量斷面，并采用多段面約束公式，通過試算后確定本次洪峰流量計算的糙率。具體采用試算法基本計算公式如下：

式中：Q為洪峰流量，m3/s；F為斷面面積，m2；V為斷面平均流速，m/s；n為河床糙率；I為水面比降；R為水力半徑，m。

上斷面～中斷面40 m，中斷面～下斷面75 m。恰堡渠首洪水調查大斷面圖見圖1、圖2、圖3，調查洪水洪峰流量計算成果表見表1。

表1 恰堡渠首2015年5月調查洪水洪峰流量計算表

圖1 恰堡渠首洪水調查上斷面圖

圖2 恰堡渠首洪水調查中斷面圖

圖3 恰堡渠首洪水調查下斷面圖

2.3 歷史洪水重現期的確定

由于影響設計洪水計算的兩個主要因素是洪峰流量和重現期。該引水渠首修建于1969年，從1969年～2015年渠首遇到較大洪水有三場1992年、2007年、2015年洪水，其中最大洪水是2007年7月發生的暴雨洪水、第二大洪水2015年，1992年洪水為第三大洪水，在洪水系列中不突出，按正常洪水排序。從1969年～2015年共經過47年。因此，將2007年發生的洪水重現期定為48年一遇，2015年7月發生的洪水重現期定為24年一遇。

3 設計洪峰流量的推求

根據《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL 44-2006）規定，即“當設計流域的洪水和暴雨資料短缺時，可利用鄰近地區分析計算的洪峰、洪量統計參數或相同頻率的洪峰模數等，進行地區綜合，用于設計流域”。本次設計洪水計算即洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法進行分析，并加以論證其合理性。

本次采用哈密天山南北坡4個具有長系列洪水資料的參證站洪水資料系列，繪制出地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線，CV=2.4，CS=12.0，CS/CV=5.0。

根據恰堡渠首處調查的2007 年7 月洪峰流量190 m3/s，重現期48 年一遇；2015 年7 月洪峰流量154 m3/s，重現期24 年一遇；分別代入式（3）、式（4），推求出不同頻率的設計洪峰流量成果見表2。

洪峰流量計算公式：

式中：K為洪峰流量模比系數；Qm為最大洪峰流量，m3/s；Q為平均洪峰流量，m3/s；

式中：Qp為設計頻率洪峰流量，m3/s；Q調為某一頻率的調查洪峰流量，m3/s；Kp、K調為設計、調查洪峰流量的模比系數。

表2 恰堡引水渠首設計洪峰流量成果表 單位：m3/s

4 結語

小流域設計洪水計算方法很多，如推理公式法、調蓄經驗單位線法、洪峰模數法等，這些方法大多是針對山區小流域。本文根據實地調查洪水，分析不同洪水痕跡相應流量，采用概率統計的方法，依據調查流量及洪峰模比系數綜合頻率曲線計算渠道工程設計洪水，經驗證，調查結果與設計成果基本合理。此方法對于新疆哈密市的小流域設計洪水計算具有一定的借鑒意義。