托斯呼爾溝水庫設計洪水計算分析

張小龍

(新疆博爾塔拉水文勘測局，新疆 博樂 833400)

1 流域概況

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，東鄰烏達克賽河，南連別珍套山沒吾斯達坂北坡，西接溫泉縣城，北至博爾塔拉河中下游段。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‰，最高海拔高程2 500 m。托斯呼爾溝平常徑流量小，夏季多暴雨洪水，河流流向大致為自南向北流。

2 設計洪水計算方法及過程評價分析

根據洪水資料條件，托斯呼爾溝水庫設計洪峰流量采用以下方法進行計算：(1)可以將溫泉水文站、阿合奇水文站兩個水文站作為參證站，采用洪峰流量面積指數法計算設計洪峰流量；(2)在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計洪水成果的基礎上，進行綜合分析，采用區域洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法計算設計洪峰流量；(3)推理公式法計算設計洪水；(4)調蓄經驗單位線法計算設計洪水并進行綜合分析比較，推薦較為合理最終采用的設計洪水成果。各種方法計算過程及結果如下所述。

2.1 面積指數法

根據參證站溫泉水文站和阿合奇水文站洪水資料，用面積比指數法來推算托斯呼爾溝水庫的設計洪水，托斯呼爾溝水庫集水面積為126.2 km2；參證站溫泉水文站集水面積為2 206 km2、阿合奇水文站集水面積為938 km2，根據公式(1)即可得到設計斷面洪水成果，見表1。

表1 托斯呼爾溝水庫設計洪峰和洪量成果表

Q設=Q參×(F設/F參)2/3

(1)

式中：Q設、Q參為設計斷面和參證站的設計洪峰流量(m3/s)；F設、F參為設斷面和參證站的集水面積(km2)

2.2 區域洪峰、洪量模比系數綜合頻率曲線法

在采用地區洪峰洪量模比系數綜合頻率曲線法計算時，參證站選取的是阿合奇水文站、精河山口水文站和沙爾托海水文站，在充分收集各水文站長系列實測資料和歷史洪水調查成果的基礎上，可采用該方法推求設計斷面不同設計頻率洪峰洪量。其主要的計算步驟主要有六步：(1)對三個參證站依據洪峰流量系列進行頻率計算；(2)在概率格紙上將各參證站的洪峰流量模比系數經驗點和不同設計頻率的洪峰模比系數分別點繪上去進行配線，這就是地區綜合頻率曲線法；(3)按照上述兩個步驟在配線時取經驗點據中值線、均值線和最大值線，就可以最終獲得中值法、均值法和最大值法的配線。地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線見圖1和圖2；(4)在地區模比系數綜合頻率曲線上需要采用的調查洪峰流量模比系數Kd；(5)用調查洪峰流量模比系數與設計頻率洪峰模比系數的比值乘以調查歷史洪水洪峰流量，能得到相應設計頻率的洪峰流量。不同頻率的Kp值可以在綜合頻率曲線上查到。詳見表2；(6)以阿合奇設計洪水過程估算托斯呼爾溝時段洪量以托斯呼爾溝調查洪峰流量，對阿合奇參證站設計洪水過程進行同倍比放大，估算托斯呼爾溝調查洪水的最大一日洪量。阿合奇參證站100 a一遇洪水的洪峰流量、一日洪量分別為：Q1%=157 m3/s、W1d，1%=629.4×104m3。托斯呼爾溝調查洪水最大一日洪量、最大三日洪量計算公式為：

表2 地區洪峰及時段洪量模比系數不同設計頻率kp值查算表

圖1 地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線

圖2 地區1日洪量模比系數綜合頻率曲線

W1d，調(托)=W1d，1%(阿)×Q調(托)/Q1%(阿)

(1)

式中：Q調(托)為托斯呼爾溝調查洪水洪峰流量；W1d，調(托)為托斯呼爾調查洪水最大一日洪量；Q1%(阿)為參證站設計洪水洪峰流量；W1d，1%(阿)為參證站設計洪水最大一日洪量。

估算托斯呼爾溝調查洪水的一日最大洪量為：

W1d，調(托)=629.4×37.6/157×104m3=150.7×104m3

設計洪峰流量計算公式如下：

(2)

式中：Qp為設計洪峰流量(m3/s)；Kp為設計洪峰流量模比系數；Qd為調查歷史洪水洪峰流量(m3/s)；Kd為調查歷史洪水洪峰流量模比系數。

根據綜合頻率曲線不同頻率的Kp值和重現期，由以上計算方法即可得到上下壩址的設計洪峰流量。在洪水調查過程中了解到的信息情況確定，2006年發生的洪水是最大洪峰流量。根據訪問人搬遷時間確定重現期，即重現期T=(2016-1975+1+1)=43(年)

因此把此次洪水資料作為歷史洪水帶入公式(2)可得表3。

表3 托斯呼爾溝水庫設計洪峰、洪量計算成果表

2.3 推理公式法

根據《水利水電工程設計洪水計算規范》(SL 44-93)中推薦的推理公式，由設計暴雨推求設計洪水，其計算式如下：

Qmp=0.278·ψ·SP·F/τn

(3)

(4)

式中：Qmp為設計頻率洪峰流量(m3/s)；0.278為單位換算系數；ψ為洪峰徑流系數；SP為雨力(mm/h)；τ為流域匯流歷時(h)；n為暴雨遞減指數；F為流域面積(km2)；m為匯流參數；J為河道縱坡降；L為出口斷面以上沿河道至分水嶺的最長距離(km)。

(2)設計暴雨參數n和SP的確定

SP=P24，p·24n-1=K·P1日，p

(5)

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，暴雨遞減指數n取0.64，日雨量折算為24 h雨量的換算系數K取1.13，利用溫泉水文站年降水量頻率計算成果，見表4、圖3。

表4 溫泉水文站降水量頻率計算成果表

(3)匯流參數m的選定

根據《水利水電工程設計洪水計算規范》，結合設計流域河長與河道縱坡降等參數及下墊面條件；

(4)應用推理公式計算軟件計算成果見表5。

表5 托斯呼爾溝水庫設計洪峰流量成果表

2.4 調蓄經驗單位線法

以托斯呼爾溝水庫最為鄰近的溫泉水文站作為參證站，基于最大一日降水資料進行計算分析。收集溫泉水文站最大一日降水資料經過頻率計算(見圖3)，可以推算出不同頻率設計的最大一日降水量，詳細計算成果見表6。

表6 托斯呼爾溝水庫設計洪峰和洪量成果表

圖3 溫泉水文站最大一日降水量頻率曲線圖

同時從《新疆維吾爾自治區可能最大暴雨圖集》上可以查詢到天山北坡地區逐時雨量分配過程。根據雨量分配的具體過程，假設產流歷時為tc，在該圖集中的產流綜合圖上查詢出相應產流期的平均損失率f，最后求出產流期雨量ptc，對tc是否合適進行驗證。

產流期平均凈雨強度I凈計算見下式。

I凈=R凈/tc

(6)

R凈=ptc-f×tc

(7)

用集水面積F和I凈在《新疆維吾爾自治區中小流域設計暴雨洪水圖集》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△t。用下式求調蓄經驗單位線公比b。

b=(t0-0.5×Δt)/(t0+0.5×Δt)

(8)

用上式求以b為公比的無窮遞減等比級數u值。

u1=(1-b)

(9)

u2=(1-b)b

(10)

u3=(1-b)b2

(11)

將△t時段的凈雨量換算成凈雨流量Ii。

Ii=F×Ri/3.6 ×Δt

(12)

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。

3 設計洪水成果比選推薦

為減少設計成果計算方法單一造成的一些弊端，盡可能地使用多種方法進行設計洪水計算及綜合分析，最后推薦出最為切合實際的計算成果。以上幾種方法計算的安格里格鄉托斯呼爾溝出山口斷面的設計洪水成果，因為各種資料條件和計算方法不相同，所以計算出的設計洪峰流量成果也存在一定差距，現對各種計算成果進行必要的分析，不同方法計算的設計洪峰流量和設計一日洪量成果比較詳見表7和表8。最終從中推薦一種較為合理的計算成果供設計部門參考使用。

(1)從各種計算方法的具體過程來看，面積指數法在應用過程中，由于選用的參證站溫泉水文站和阿合奇水文站，這兩個水文站處于同一氣候區的相鄰流域，兩條河流的產匯流、下墊面條件、流域集水面積和河槽調蓄能力與托斯呼爾溝差別較大，所以，最終采用的參證站計算出的設計成果與各計算斷面的設計值會存在明顯差異；

(2)地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法的一般是將同一氣候區各參證站的洪水資料進行綜合分析，基于流域的基礎調查洪水資料，可以解決無洪水資料流域的設計洪水問題。從對參證站歷史洪水考證期的符合來看，安格里格鄉托斯呼爾溝與附近流域發生洪水時間不盡一致，局地暴雨發生較頻繁，計算出的結果誤差較大，所以在本次計算中，不推薦采用地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法的計算成果。

(3)在采用調蓄經驗單位線法時，以溫泉水文站為參證站，通過對實測雨量資料的頻率計算，可以確定各設計斷面最大24 h設計雨量，經過產匯流計算最后可得到計算成果。進行計算過程中，選用的點面折算系數、最大一日降水與最大24 h降水轉換系數都是1984年的《新疆維吾爾自治區可能最大暴雨圖集》數值，選取的站點降水量為均為60、70年代降水量。

通過對表7、表8中的計算成果對比分析，可以看出計算結果與實際相接近，采用推薦推理公式法的計算成果作為最終成果比較合理，最終設計洪水推薦成果見表9。

表7 托斯呼爾溝水庫設計洪峰流量各種方法計算成果比較 m3/s

表8 托斯呼爾溝水庫設計一日洪量各種方法計算成果比較 104m3

表9 托斯呼爾溝水庫設計洪水推薦成果表

4 結語

通過對以上幾種方法計算的托斯呼爾溝出山口斷面的設計洪水成果比選分析可知，因為各種資料條件和計算方法不相同，所以計算出的設計洪峰流量成果也存在一定差距，綜合來看，采用調蓄經驗單位線法和推理公式法計算的成果與實際結果比較接近，最終選擇采用推理公式法的計算成果是最為切合實際的。