呼圖壁縣阿克薩依溝設計洪水計算探討

呂小愚

（新疆昌吉水文勘測局，新疆 昌吉 831100）

1 問題的提出

阿克薩依溝位于呼圖壁縣雀爾溝鎮境內，地理位置介于東經86°05′～87°08′、北緯43°07′～45°20′之間，東與呼圖壁河相鄰，西與軍塘湖河相望，南以天山分水嶺與巴音郭楞蒙古自治州和和靜縣相望，北與塔城地區和布克賽爾蒙古自治縣、阿勒泰地區福海縣相接。阿克薩依溝屬無水文資料地區，其流域治理工程洪水水文分析計算必須充分利用相鄰流域水文資料［1]。本次收集了呼圖壁河石門水文站、三屯河碾盤莊水文站、頭屯河制材廠水文站洪水資料，資料截止年份為2017年。通過對水文資料的分析，所收集的水文資料可以滿足阿克薩依溝河流治理工程洪水水文分析計算要求。

2 設計洪水計算

2.1 推理公式法

2018年初昌吉水文勘測局在編制《昌吉市阿濰灘防洪工程洪水水文分析計算報告》《昌吉市三屯河大洪溝洪水水文分析計算報告》《昌吉市三工灘前山區防洪工程水文分析計算報告》《昌吉市頭屯河引水樞紐至烏伊公路大橋河段防洪工程水文分析報告》過程中［2]，對呼圖壁縣石膏溝、大洪溝、阿濰灘、三工灘洪溝推理公式法中參數進行了率定［1]，阿克薩依溝流域正好于這四處區域之中，因此推理公式法中的部分參數可直接借用其率定成果［3]。

2.1.1 計算公式根據《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL 44-2006）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：

式中：Qm為洪峰流量，m3/s；H為在全面匯流時代表相應于τ 時段的最大凈雨，在部分匯流代表單一洪峰的凈雨，mm；τ 為流域匯流歷時，h；F為流域面積，km2；J為沿流程L的平均比降（以小數計）；L為沿主河從出口斷面至分水嶺的最長距離，km；m為匯流參數。

2.1.2 公式中各參數的確定

（1）流域特征參數F、L、J值的確定

流域特征參數F、L、J的值在1∶50000 地形圖上量算所得。沿洪溝繪出各山洪溝分水嶺，確定流域面積。根據地形圖可以測得流域特征參數值如下：流域面積F為52.2 km2；沿主河從出口斷面至分水嶺最長距離L為21 km；沿流程L的平均比降J為32.0‰。

（2）匯流參數m的確定

無資料條件下m值，可根據《水利水電工程設計洪水計算規范》“小流域下墊面條件分類表”中查得m值范圍。再由公式推求出的θ 值，內插得到m值。θ=66.1，m=1.72。

（3）暴雨衰減指數n值的率定

n值是反映地區暴雨長短歷時關系的敏感性參數，用作設計條件下主雨峰的降雨時程分配控制，用水文、氣象站的降水資料來確定，根據實測暴雨資料和場次暴雨資料分析，一般暴雨在24 h 之內，因此統計分析最大日降水作為設計降水的樣本來分析。本次采用《昌吉市阿濰灘防洪工程洪水水文分析計算報告》等四個報告中率定的本區域參數值，n=0.753。

2.1.3 設計洪峰流量的計算

將以上步驟確定的推理公式法中的參數代入公式（1）和公式（2）中，推算阿克薩依溝匯合口處不同頻率的設計洪峰流量值。計算成果見表1。

表1 阿克薩依溝匯合口斷面設計洪峰流量計算匯總成果表

2.2 洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線法

選取處于同一氣候區的呼圖壁河石門站、三屯河碾盤莊站和頭屯河制材廠站三處水文站作為參證站，根據參證站實測洪峰和歷史洪水資料，采用洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線法，推求阿克薩依溝不同設計頻率洪峰流量。

首先分別進行各參證站年最大洪峰流量系列頻率計算。本次流量系列頻率計算考慮三個參證站近100年內實測流量系列頻率數據包括發生特大洪災年份的流程頻率。對各參證站洪峰流量模比系數進行經驗頻率計算，并點繪在同一概率格紙上，理論頻率曲線采用P－Ⅲ型曲線，均值、CV和CS值采用適線法確定。考慮到設計流域為無資料山洪溝，在適線時，將最大上外包線作為地區模比系數綜合頻率曲線結果，適線情況見圖1。

圖1 地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線圖

根據參證站綜合頻率曲線，得到不同頻率kp值，見表2。

表2 地區洪峰模比系數不同設計頻率kp 值查算表

根據不同設計頻率的洪峰流量與其相應模比系數比值相等的原則，阿克薩依溝匯合口斷面1996年7月18 日調查洪峰流量91.0 m3/s，重現期為39 a，對應頻率為2.56%，對應模比系數Kd=3.49，按照下列公式計算得到不同設計頻率的洪峰流量。

式中：Qp為設計頻率洪峰流量，m3/s；Qd為調查洪水洪峰流量，m3/s；Kp為設計頻率洪峰模比系數；Kd為調查洪水洪峰模比系數。洪峰流量模比系數地區綜合頻率法計算成果見表3。

表3 阿克薩依溝匯合口斷面地區綜合頻率法計算成果表

3 設計洪水成果推薦

對設計洪峰流量計算采用了適合無資料地區的推理公式法、洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法兩種方法進行推求，各計算方法推算得到的設計洪峰流量計算成果匯總見表4。

表4 阿克薩依溝匯合口斷面設計洪峰流量計算成果匯總表

本次合理性檢查分析從計算方法和設計洪水成果兩個層次進行。

推理公式法在計算過程中考慮了河長、坡降、集水面積等流域特征參數，暴雨衰減指數、產、匯流參數值是根據區域規律率定得到，其主要采用的實測降水資料為海拔較高的呼圖壁河石門水文站長系列資料，但由于石門站海拔較高，石門站以上海拔為1257 m～3700 m，本次計算斷面以上海拔高程為730 m～1369 m，以高海拔區域降水量推算低山丘陵區降水量可能存在一定誤差，因此，此方法計算結果僅供參考。

洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線法中對選用鄰近參證站實測系列洪水資料和歷史洪水調查資料進行地區綜合，從而降低由單一參證站洪水資料計算設計洪水成果的抽樣誤差，消除個別年份個別站點受特大值影響帶來的偶然誤差和各站由于水文特性差異造成的差別，綜合出地區洪水的規律性，充分利用設計流域調查洪水資料，解決實際工作中無洪水資料流域設計洪水問題。且對設計流域歷史洪水進行了詳實的調查，基本可以確定歷史洪水量級和重現期，調查洪水成果較為可靠，因此推薦此方法計算成果作為本次阿克薩依溝設計洪水計算成果。

4 結論

由于阿克薩依溝洪水資料短缺，根據本流域和參證站實測及調查洪水資料，對各計算節點設計洪水洪峰流量進行估算。因此，設計洪峰流量成果是否合理，對工程設計關系重大。通過以上計算分析，推薦以石門站、碾盤莊站、制材廠站洪水資料頻率計算為基礎，用同處氣候地形條件基本相似的水文站洪水資料，編制地區洪峰模比系數綜合頻率曲線，推求計算斷面設計洪水，縮小了計算成果因各站水文特性的差別和單站洪水資料推求設計洪水時的任意性，因此認為設計計算結果合理。