新疆瑪納斯紅沙灣水庫壩址設計洪峰流量計算

陳 巍

(新疆維吾爾自治區石河子市水文勘測局，新疆 石河子 832000)

紅沙灣渠首是塔西河流域內非常重要的引水渠首。紅沙灣水庫工程運行43年來，遭到了一定程度的破壞，雖幾經改造加固，仍不能滿足引水泄洪要求，存在的問題有：渠首工程設計存在缺陷，布置不合理，按現行洪水標準引水，該渠首工程不能滿足防洪要求；泥沙淤積嚴重，不能滿足引水要求；結構老化破壞嚴重，不能滿足安全運行要求，不能充分發揮灌溉及防洪效益。本文針對紅沙灣水庫壩址設計洪峰流量進行計算分析。

1 工程概況

紅沙灣水庫工程位于塔西河出山口前中低山區，至瑪納斯縣城35 km，該水庫是石門子水庫的反調節水庫，工程主要任務為灌溉與工業供水，兼顧防洪與發電，水庫規劃總庫容為2454×104m3，最大壩高65 m；工程規模屬Ⅲ等中型工程，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級；該水庫工程由攔河壩、導流兼泄洪排沙洞、表孔溢洪道和放水兼發電洞等建筑物組成；水庫壩址采用碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩，垂直河道呈直線布置。

經對瑪納斯縣氣象站觀測資料統計，多年平均年降水量196.9 mm，其中4月～7月占全年的47.3%，1月最少，僅為7.7 mm，占全年的3.91%，5月最大，達26.1 mm，占全年的13.3%；多年平均年蒸發量1646.2 mm(Φ20 cm蒸發皿觀測)，其中5月～8月占全年的67.2%；多年平均氣溫7.0℃，極端最高氣溫42.0℃，出現于1977年7月12日，極端最低氣溫-38.8℃，出現于1969年1月29日。

2 塔西河洪水洪峰流量沿程變化分析

2.1 塔西河洪水洪峰流量沿程變化

由于石門子(一)、劉家莊、紅沙灣三水文站有1963年9月～1966年7月近三年的同步并行觀測資料，因此可選擇同場次洪水峰對峰流量數據來分析洪峰流量沿程變化。經統計，得到石門子(一)、劉家莊、紅沙灣三水文站同場次洪水峰對峰流量數據(見表1)。

表1 石門子(一)、劉家莊、紅沙灣三水文站同場次洪水峰對峰流量數據統計表

從表1中統計到的13場洪水變化過程可看出，塔西河自石門子水文(一)站至劉家莊水文站再到紅沙灣水文站25.5 km長的區間內，同場次洪水洪峰流量沿程變化中有2次先增后減、5次先減后增、4次連續衰減、2次連續遞增。

在石河子水文水資源勘測局項目組對紅沙灣渠首“1995·7·14”“1996·7·18”暴雨洪水和火燒洼溝“2004·7·6”暴雨洪水的調查中，均出現洪峰流量沿程遞增的趨勢，其中“1996·7·18”暴雨洪水是全流域暴雨形成，“1995·7·14”“2004·7·6”暴雨洪水的暴雨中心均位于石門子水文站下游，尤其是紅沙灣渠首“1995·7·14”暴雨洪水，在石門子水文(二)站至紅沙灣渠首21.0 km長的區間內，洪峰流量增加了74.0 m3/s。

由此可見，暴雨中心發生在石門子、劉家莊水文站上、下游不同的位置，洪峰流量沿程變化將出現先增后減、先減后增、連續衰減和連續遞增四種情況。

2.2 洪峰流量相對遞增率計算

為工程偏于安全考慮，本次紅沙灣水庫壩址洪水的洪峰流量沿程變化按分段連續遞增計算，并且選用分段增率最大者[1]，即在石門子水文(一)站至劉家莊水文站段(簡稱上、中游段)，選用洪峰流量從38.0 m3/s增至47.6 m3/s；在劉家莊水文站至紅沙灣水文站段(簡稱中、下游段)，選用洪峰流量從28.6 m3/s增至79.6 m3/s。計算公式為：

KP=[(Qx-QS)/QS]×100%

式中：KP為區間相對遞增率，%；QS為上斷面洪峰流量，m3/s；Qx為下斷面洪峰流量，m3/s。

①根據選用兩場洪水的上、中游段和中、下游段洪峰流量數據，計算出上、中游段和中、下游段的洪水洪峰流量相對遞增率分別為25.26%和178.32%。

②根據“1995.7.14”暴雨洪水的上、下游峰對峰流量數據，計算該場洪水上、下游段的洪峰流量相對遞增率為274.07%。

③根據“1996.7.18”暴雨洪水的上、下游峰對峰流量數據，求出該場洪水上、下游段的洪峰流量相對遞增率為25.18%。

3 壩址設計洪峰流量計算

本次計算采用地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法[2]進行計算。

選取同一氣候區內石門子、清水河子、肯斯瓦特、八家戶和喇嘛廟五水文站實測洪峰流量樣本，編制地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線(見圖1)，求得不同頻率的洪峰流量模比系數Kp值(見表2)。根據表2中的Kp值，依據本次紅沙灣渠首斷面塔西河歷史第四大洪水(“1996.7.18”洪水)調查成果，推算天然情況下紅沙灣渠首處不同頻率設計洪峰流量成果(見表3)。

表2 地區洪峰流量模比系數設計KP值計算成果表

表3 天然情況下紅沙灣渠首處設計洪峰流量計算成果表 單位：m3/s

圖1 地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線圖

計算公式：

Qp=Kp×Qd/Kd

(1)

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(由調查洪水的重現期根據綜合頻率曲線求得)。

根據表3中的設計洪峰流量成果和紅沙灣渠首、紅沙灣水庫上下壩址以上的集水面積，利用公式(2)，求得天然情況下紅沙灣水庫上、下壩址處不同保證率的設計洪峰流量成果(見表4)。

表4 天然情況下紅沙灣水庫上、下壩址處設計洪峰流量計算成果表 單位：m3/s

Qmp=Mcp×F

(2)

式中：Qmp為工程廠址設計洪峰流量，m3/s；Mcp為參證站設計洪峰模數，m3/(s·km2)；F為工程廠址集水面積，km2。

根據石門子水文站設計洪峰流量成果和石門子水文(三)站、石門子水庫壩址以上的集水面積，利用式(2)，求取石門子水庫壩址處不同保證率的設計洪峰流量成果(見表5)。

表5 石門子水庫壩址處設計洪峰流量計算成果表 單位：m3/s

根據天然情況下紅沙灣水庫上、下壩址處設計洪峰流量成果和石門子水庫壩址處設計洪峰流量成果，把兩者進行同頻率相減，可求得石門子水庫壩址至紅沙灣水庫上、下壩址區間不同頻率的設計洪峰流量成果(見表6)。

表6 石門子水庫壩址至紅沙灣水庫上、下壩址區間設計洪峰流量成果表 單位：m3/s

根據石門子水庫壩址至紅沙灣水庫上、下壩址區間的設計洪峰流量成果和石門子水庫出庫設計洪峰流量成果，把兩者同頻率相加，可求得紅沙灣水庫上、下壩址處不同頻率的設計洪峰流量成果(見表7)。

表7 紅沙灣水庫上、下壩址處設計洪峰流量計算成果表 單位：m3/s

4 結語

采用地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法對紅沙灣水庫工程項目進行計算，以同一氣候區內有實測長系列洪水資料的5條河流水文站為參證站，繪制模比系數綜合頻率曲線，求得不同頻率的洪峰流量模比系數設計KP值，再利用塔西河紅沙灣渠首處歷史洪水調查資料，并結合石門子水文站、石門子水庫出庫設計洪峰流量成果，從而推求出紅沙灣水庫上、下壩址處設計洪峰流量。該計算成果精度較可靠，推薦采用地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法計算成果。