和靜縣防洪工程洪水計算方法探析

馬 越

(新疆巴音郭楞水文勘測局，新疆 庫爾勒 841000)

發(fā)源于天山東部依連哈比爾尕山的鞏乃斯河，是新疆第一大河——伊犁河上的第三大支流，河流全長為274.5 km，流域集水面積為4 123 km2。鞏乃斯河上游為峽谷段，河床狹窄、陡峻、水流湍急；下游河灘寬闊，水流平穩(wěn)集中。春夏季水量豐沛，秋冬季為枯水期。鞏乃斯河上游的和靜縣鞏乃斯鎮(zhèn)，共有農(nóng)牧民8 230人，當(dāng)?shù)睾拥罌]有堤防，經(jīng)常遭受洪水災(zāi)害。為了防洪保安需要，規(guī)劃此處新建堤防4.225 km，為此，需對工程處洪水進(jìn)行探討。

1 概況

鞏乃斯河流域東、南、北三面環(huán)山，地勢東高西低，東窄西寬，由東向西傾斜敞開呈喇叭狀。境內(nèi)山脈呈東西走向，綿延起伏，鞏乃斯河及其支流恰甫河自東向西橫貫其中，構(gòu)成三山夾兩川的獨(dú)特地形。鞏乃斯河屬寒溫帶大陸高原氣候，降水主要集中在春夏兩季，多年平均降水量827.3 mm，年最大、最小降水量分別為1 139.7 mm和653 mm，分別發(fā)生在1970年和1974年。年蒸發(fā)量為1 025.7 mm。

2 洪水類型及特性

影響鞏乃斯河洪水的主要條件是氣候條件(如氣溫和降水)和下墊面條件(如地形、地質(zhì)、土壤、植被、冰川等)。鞏乃斯河洪水的成因有三種：

2.1 融水洪水

此類洪水分兩種：一種是季節(jié)性積雪融水洪水，另一種是高山冰雪融水洪水。季節(jié)性積雪融水洪水主要發(fā)生在3-5月份，由中低山和沖積扇坡面積雪融化形成洪水；高山冰雪融水洪水，主要發(fā)生在6-8月份，此時氣溫一般都比較高，零度層高度一般在4 000 m以上，高山冰雪融化形成洪水。

融水洪水過程與氣溫變化過程很相似，一日一峰，氣溫高，洪峰流量大，氣溫低，洪峰流量小。鞏乃斯河的洪水歷時約為5～7日。此類洪水發(fā)生次數(shù)很多，洪峰流量較高，次洪量也較大，常產(chǎn)生洪水災(zāi)害，是鞏乃斯河的主要洪水類型之一。

2.2 暴雨洪水

此類洪水多發(fā)生在暴雨多發(fā)的夏季，洪水過程無明顯的日變化，為獨(dú)立的峰型，陡漲陡落，洪峰很高，但洪量不很大，鞏乃斯河洪水歷時一般為5～7天。此類洪水雖然發(fā)生次數(shù)不多，但洪水來勢兇猛，摧毀力極強(qiáng)，是防洪的主要洪水類型。

2.3 混合型洪水

此類洪水主要發(fā)生在4～5月份，此時期新源縣氣溫一般都較高，冰雪融水量較大，又正值新源縣雨季，暴雨頻繁，極易造成暴雨與融冰雪水混合形成洪水災(zāi)害。此類洪水過程亦有明顯的日變化，洪水歷時較長，峰高量大，是造成較大洪水災(zāi)的洪水類型。

3 參證站洪水分析

鞏乃斯河流域內(nèi)建有某水文站、種羊場站和某專用站。某水文站1960年7月建站，觀測至今，觀測項目有：水位、流量、泥沙、水溫、冰清、降雨、蒸發(fā)等。種羊場站1956年10月建站，于1960年7月撤站。某專用站建于1967年11月26日，主要承擔(dān)天山道路雪崩和風(fēng)吹雪治理課題。結(jié)合各站資料實際情況，本此設(shè)計優(yōu)先選用某水文站作為本次水文分析計算的參證站。

3.1 洪水系列三性分析

3.1.1 參證站設(shè)計洪水系列可靠性分析

鞏乃斯河某水文站1960年7月建站觀測至今，是國家基本測站，水文測驗、數(shù)據(jù)采集和資料整編均執(zhí)行國家行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)測站初步整編、巴州水文局審查與區(qū)水文局復(fù)審，整編資料達(dá)到國家行業(yè)規(guī)范刊印要求，資料成果可靠，精度較高。

3.1.2 參證站設(shè)計洪水系列一致性分析

在較大洪水時，基本不引水，可以認(rèn)為其歷年洪水資料系列基本沒有受到引水的影響。同時，該站觀測期內(nèi)產(chǎn)生洪水系列資料的流域和河道的產(chǎn)流、匯流等條件無根本性改變。因此，使用鞏乃斯河某水文站1961-2010年的洪峰流量系列，具有一定的一致性。

3.1.3 參證站設(shè)計洪水系列代表性分析

1)長短系列統(tǒng)計參數(shù)對比分析

對參證站某水文站1961-2010年的實測洪峰流量按不同系列長度作統(tǒng)計參數(shù)計算，并與長系列比較，見表1。由表1可知，不同長度系列洪峰流量的均值和Cv值，隨系列長度的增加而誤差不斷減小。當(dāng)系列長度達(dá)到40年以上時，與長系列比較均值誤差小于5.2%，Cv值誤差小于-9.3%。這表明，當(dāng)參證站洪峰流量系列長度達(dá)到40年以上時，各統(tǒng)計參數(shù)已基本趨于穩(wěn)定。

表1 參證站長短系列年最大洪峰流量統(tǒng)計參數(shù)對照表

2)洪峰流量模比系數(shù)差積曲線分析

由參證站某水文站1961-2010年的洪峰流量系列，統(tǒng)計并繪制模比系數(shù)差積曲線如圖1。分析圖1可知，某水文站洪峰流量系列中包含有一個完整的豐、平、枯水過程，1961年至1984年的20多年間，是鞏乃斯河某水文站的小洪水段；1985年至1995年為平水段；1996年之后進(jìn)入一個大洪水段，洪水周期約為40年。

圖1 某水文站最大洪峰流量模比系數(shù)差積曲線圖

3)洪峰流量模比系數(shù)累積平均曲線分析

對參證站某水文站1961-2010年的洪峰流量系列，從2006年向前統(tǒng)計并繪制洪峰流量模比系數(shù)累積均值過程線如圖2。由圖2表明，某水文站的洪峰流量模比系數(shù)累積均值，當(dāng)系列長度達(dá)到40年之后，已逐漸趨近于1。這說明當(dāng)系列長度達(dá)到40年之后，某水文站洪峰流量的均值是比較穩(wěn)定的。

圖2 某水文站最大洪峰流量模比系數(shù)累積均值曲線圖

以上分析說明，鞏乃斯河某水文站洪水系列包含了較完整的洪水變化過程，信息較豐富。因此，某水文站1961-2010年50年洪水系列具有一定的代表性。

綜上所述，鞏乃斯河某水文站實測洪峰流量系列有一定的一致性和代表性，可以滿足設(shè)計洪水計算的要求。

3.2 洪水計算

本次收集了某水文站1961-2010年實測洪水資料，組成共51年連續(xù)洪水系列。采用某水文站1961-2010年洪峰，用P-III型曲線進(jìn)行適線，矩法估算參數(shù)，適線法適線，目估定線，適線時側(cè)重照顧中高點(diǎn)據(jù)，水文站洪峰頻率曲線見圖3，洪水設(shè)計成果見表2。

圖3 鞏乃斯河某水文站年最大洪峰流量頻率曲線圖

3.3 洪水復(fù)核

通過現(xiàn)場實際調(diào)查訪問，2011-2017年，鞏乃斯河未發(fā)生特大洪水，因此某水文站洪水系列不受影響，其洪水洪峰流量均值仍為166 m3/s。

4 工程處設(shè)計洪水分析

4.1 工程場址設(shè)計洪水計算

由于本次治理河段位于某水文站上游，暴雨和植被條件差別不大，匯流條件基本一致，本次治理河段設(shè)計洪水根據(jù)某水文站1961-2010年實測洪水資料采用水文比擬法計算，堤防治理工程末端以上流域面積641 km2，某水文站站址以上集水面積4 123 km2，計算公式為：

(1)

式中：QS為設(shè)計斷面流量，m3/s；QC為參考斷面流量，m3/s；FS為設(shè)計斷面集水面積，km2；FC為參考斷面積水面積，km2；K為面積指數(shù)。

由于堤防治理河段距離某專用站河道距離較近，故面積指數(shù)K值參考1992年某專用站(集水面積984 km2)實測洪峰流量52.2 m3/s與該年某水文站實測值91.4 m3/s確定。經(jīng)分析，面積指數(shù)選取K=0.39。根據(jù)上述，直接移用某水文站設(shè)計洪峰流量統(tǒng)計參數(shù)，計算得本次堤防治理河段設(shè)計洪峰流量成果見表2。

表2 鞏乃斯河某水文站與防洪工程(二期)段設(shè)計洪水表

4.2 設(shè)計洪水成果的合理性分析

(1)本次采用某水文站為計算的參證站，洪水系列采用實測1961-2010年共50年洪水系列，并組成連續(xù)洪水系列進(jìn)行設(shè)計洪水計算，資料系列長度符合規(guī)范要求。

(2)本次治理河段位于某水文站上游，與某水文站是上下游關(guān)系，洪水的形成機(jī)制和豐枯變化基本一致且成因果關(guān)系，故直接引用某水文站的設(shè)計洪水計算參數(shù)是合理的。

4.3 分期洪水計算

根據(jù)設(shè)計需要，本次分期洪水分為2個時段，分別為4-8月、9-3月。其中，4-8月為主汛期，其設(shè)計洪水成果采用年最大成果。

4.3.1 計算思路

本次分期設(shè)計洪水主要采用流量資料進(jìn)行計算，計算方法與工程場址斷面設(shè)計洪峰流量相同。由于工程場址斷面處無長系列洪水資料，按照區(qū)域洪水特性，以某水文站為參證站，對參證站某水文站9-3月的分期洪水進(jìn)行設(shè)計計算，適線法計算參證站9-3月最大洪峰流量的統(tǒng)計參數(shù)和不同頻率的設(shè)計值，以洪峰模數(shù)法推算工程場址處9-3月的多年平均洪峰流量值，再以參證站的分期設(shè)計洪水的統(tǒng)計參數(shù)Cv、Cs/Cv值，推算工程場址處的分期設(shè)計洪水。

4.3.2 工程河段分期洪水計算

根據(jù)參證站1961-2010年9-3月的實測最大洪峰流量系列，采用矩法計算各統(tǒng)計參數(shù)，并經(jīng)P—Ⅲ型曲線適線優(yōu)選確定采用參數(shù)。適線時考慮與經(jīng)驗點(diǎn)據(jù)擬合和工程施工安全等因素，對Cv、Cs值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。根據(jù)參證站9-3月分期洪水設(shè)計成果及不同設(shè)計頻率的Kp值，以洪峰模數(shù)法計算本次防洪工程河段9-3月不同設(shè)計頻率的設(shè)計最大洪峰流量，計算結(jié)果見表3。

表3 鞏乃斯河某水文站與防洪工程(二期)段9-3月月設(shè)計洪水表

5 結(jié)語

為了確保鞏乃斯河和靜縣鞏乃斯鎮(zhèn)段防洪工程的順利實施，在沒有水文監(jiān)測資源的情況下，以洪水情況相近的工程處下游的某水文站為參站證，采用水文比擬法和洪峰模數(shù)法計算出工程處及施工期不同設(shè)計頻率的洪峰流量，工程處洪水多年均值為80.3 m3/s，10年一遇洪水為129 m3/s。施工期9-3月多年均值為33.7 m3/s，10年一遇洪水為52.3 m3/s，為工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，可供水文資料缺乏區(qū)進(jìn)行洪水計算借鑒。