新疆托克遜縣阿拉溝引水渠首除險加固工程洪水分析計算

郭軍輝

(吐魯番市水利水電勘測設計研究院，新疆 吐魯番 838000)

1 概 況

阿拉溝河流域地跨烏魯木齊市、和靜縣、托克遜縣，位于E86°50′-E89°11′，N42°40′-N43°05′之間，阿拉溝河流經巴州和靜縣、烏魯木齊市和吐魯番地區的托克遜縣，尾閭為吐魯番市境內的艾丁湖。

2009年2月，有關專家對渠首進行了安全鑒定，鑒定結果為三類閘，需進行除險加固。

2 氣 象

托克遜縣為典型的溫帶大陸性干旱氣候，多年平均降水量為8.2 mm。全年降水量以夏季最多，春季次之。多年平均蒸發量為3 014.9 mm，多年平均氣溫為14.5℃，冬季歷年最大凍土深度為60 cm(1984年)。托克遜縣地勢高低懸殊，受熱面積大，溫度變幅大，導致多風天氣的產生，多年平均最大風速大于40 m/s，最大風力為12級，素有“風庫”之稱。

3 水 文

3.1 阿拉溝水文站

該站1956年11月設立于托克遜縣阿樂慧鎮的阿拉溝河出山口附近。因1996年特大洪水將該站測驗設施沖毀，次年下遷至原斷面下游5 km處，中間無支流匯入，遷移前后測驗斷面以上集水面積變化不大，遷移前后資料合并統計。該站除1958年10-12月、1959年1-6月缺測流量外，其余時段資料完整。

3.2 艾維爾溝巡測站

該巡測站由吐魯番水文局在1986-1989年在阿拉溝水文站下游約2 km處的大橋上550 m處巡測，4年觀測斷面一致，上述兩站觀測項目統計見表1。

表1 阿拉溝水文站及艾維爾溝觀測項目統計表

4 洪 水

4.1 洪水成因類型

阿拉溝河存在3種基本的洪水類型：①中高山區大降雨形成的暴雨型洪水；②隨著氣溫逐漸上升，冰川以及積雪融化形成的冰雪融水洪水；③隨氣溫上升，加之大降雨形成暴雨，形成融水混合型洪水。3種類型洪水中，以暴雨洪水最為突出。

4.2 參證站設計洪峰流量計算

4.2.1 經驗頻率及統計參數計算方法

洪水經驗頻率曲線及統計參數估算采用連序系列計算公式，公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：n為系列項數；Pm為按大小順序排位的第m項洪水的經驗頻率；Xi為實測洪水變量(i=l+1,…,n)；X為洪水變量均值；Cv為洪水變量變差系數。Cs與Cv的比值采用經驗法，人工適線確定。

4.2.2 設計洪峰流量計算

阿拉溝水文站洪峰流量按連序系列進行頻率計算，采用P-Ⅲ型曲線優選適線計算，統計參數及設計洪峰流量計算成果見圖1和表2。

圖1 阿拉溝水文站洪峰流量頻率曲線圖

表2 阿拉溝站洪峰流量及時段洪量設計成果表

4.3 艾維爾溝巡測站設計洪峰流量確定

4.3.1 洪峰模數法

艾維爾溝與阿拉溝為相鄰流域，屬同一氣候區，下墊面條件、洪水成因及類型較為相似，但集水面積相差較大。艾維爾溝上游產洪能力較阿拉溝弱：①艾維爾溝系阿拉溝河一個支流，艾維爾溝巡測站和阿拉溝水文站所處斷面海拔高程(分別為773和787.321 m)基本相同；②阿拉溝和艾維爾溝河流域高程最高為4 400 m，最低為770 m左右，難以按控制面積進行修正，因此只能按水文站洪峰模數來計算。

(4)

式中：Q設為設計洪峰流量，m3/s；Q參為參證站設計洪峰流量，m3/s；F參為參證站集水面積，km2；F設為匯水區集水面積，km2。

采用式(4)計算艾維爾溝巡測站設計洪峰流量，成果見表3。

表3 艾維爾溝巡測站設計洪峰流量成果表(洪峰模數法)

4.3.2 長短系列訂正法

按艾維爾溝1981和1996年兩年洪水調查值與臨近阿拉溝站同期洪水進行長短系列訂正，由公式得出多年平均洪峰流量為35.0 m3/s，再用阿拉溝站洪峰流量統計參數計算出該溝的設計洪水計算成果，見表4。

表4 艾維爾溝巡測站設計洪峰流量成果表(長短系列訂正法)

4.3.3 洪峰流量模比系數地區綜合法

選取處于同一氣候區內具有較長實測洪水系列的水文站作為參證站，根據參證站實測年最大洪峰流量及歷史調查洪水資料，采用成都科技大學等3所院校合編的《工程水文及水利計算》一書提出的“地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法”，推求調查斷面設計洪峰流量，公式如下：

(5)

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

采用本氣候區內具有較長實測洪水系列的阿拉溝、煤窯溝、二塘溝、柯柯亞水文站歷史調查洪水和實測洪峰流量系列樣本，編制地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線(圖2)。

圖2 吐魯番地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線圖

本次采用1981年洪水97.9 m3/s和1996年107 m3/s洪水調查成果，重現期定為29年，其相應的模比系數為3.907。據此求得KP值及艾維爾溝巡測站不同設計頻率設計洪峰流量，見表5。

表5 艾維爾溝站設計洪峰流量成果表(模比系數地區綜合頻率線法)

4.3.4 艾維爾溝設計洪峰流量的確定

上述幾種計算方法對比見表6。

表6 艾維爾溝設計洪峰流量成果對比表

由于艾維爾溝是阿拉溝的一條支流，兩者為同一氣候區的相鄰流域，下墊面和洪水形成規律具有相似性，同步性較好。雖兩者集水面積相差懸殊，但是兩者水文特性基本一致。從計算結果來看，該方法29年一遇(P=3.4%)的設計成果(136 m3/s)與1996年調查值(107m3/s)相比，比調查值大21.3%，其成果較合理，切合實際。因此，建議采用洪峰模數法計算成果，作為本次艾維爾溝設計依據。

4.4 天然狀況下阿拉溝引水渠首設計洪水過程線計算

阿拉溝引水渠首天然狀況下設計洪水過程線借用阿拉溝水文站1996年7月18日3∶00至7月21日3∶00(最大洪峰流量為490 m3/s)實測洪水過程，按同倍比放大方法計算，結果見圖3。

圖3 天然狀況下阿拉溝引水渠首設計洪水過程線圖

5 結 語

本文主要對阿拉溝渠首參證站和巡測站的設計洪峰流量進行計算，并采用洪峰模數法、長短系列訂正法和洪峰流量模比系數地區綜合法對巡測站設計洪峰流量進行比選對比，最終確定選用的比選結果和方法。通過對渠首的設計洪水進行計算和分析，在為同類渠首的洪水計算提供設計依據的同時，也為其他渠首洪水計算起到了一定的指導作用。結合工程建成后的運行，該計算與分析的成果是可靠的。