高昌區黑溝河洪水衰減及設計洪水分析

龔旭鋒

(吐魯番水文勘測局，新疆 吐魯番 838000)

1 概 況

黑溝河位于吐魯番市高昌區境內，西側與煤窯溝相鄰，北與恰勒坎溝毗鄰。河流自源頭由東北向西南流，右岸有多條溪流由北向南流匯入干流，構成典型的梳狀水系，流經約18 km至黑溝村，途中右岸先后匯入發源于北部汗尼霍臘達坂(海拔4114 m)南側的汗尼霍河、瓊夏達比什河、瓊夏達河后轉向南流，又16.0 km流出山口，經寬廣的山前傾斜平原呈散流狀河水，最后匯入尾閭為艾丁湖。

2 洪水特性分析

黑溝河流域屬溫帶大陸性干旱氣候，多年平均降水量為15.5 mm。黑溝河大部分洪水屬突發性暴雨洪水，主要由大尺度天氣系統過境造成，在流域北部中、低山區形成大范圍降水和超滲產流，從而發生暴雨洪水。暴雨主要發生在夏季(6—8月)，山區發生暴雨概率比平原區大得多，暴雨的時間和空間分布極不均勻，局地性暴雨歷時短(一般暴雨歷時不超過6 h)，陣性強，籠罩面積小。洪水具有陡漲陡落，過程單一，峰型尖瘦，歷時短，峰高量小，突發性強，來勢迅猛，破壞性極強等特性[1]。

3 計算方法分析

3.1 洪水沿程變率分析

黑溝河洪水形成于中、高山帶，從現場實際河床形態來看，黑溝河引水渠首以上河床狹窄，洪水集中，是洪水逐漸增大過程，屬于洪水疊加區，黑溝河引水渠首以下洪水均為遞減過程[2]。黑溝河引水渠首以下河段洪水成因較為復雜，洪水沿著黑溝河干渠，區間煤窯溝與黑溝河、黑溝河與恰勒坎中間洪溝匯合后流入到勝金鄉、三堡鄉，最終流入艾丁湖。根據黑溝河上下游洪水成因和沿程變化，按最不利因素考慮，本次從黑溝河渠首到三堡鄉項目區之間共布設了5個斷面和6個暴雨區間。

A斷面為黑溝河引水渠首。洪溝1位于煤窯溝和黑溝河區間，流入到勝金鄉及B斷面、D斷面、E斷面；黑溝河為洪溝2，其洪水沿著天然河道也流入勝金鄉及B斷面、D斷面、E斷面；洪溝3位于黑溝河和恰勒坎河之間，也流入到勝金鄉及B斷面、D斷面、E斷面；黑溝河和恰勒坎河區間的洪溝4和恰勒坎與二塘溝河區間的洪溝5也流入到D斷面、E斷面。D斷面、E斷面為此次工程設計洪水計算點。

其洪水沿程變化：

一是洪水出山口后沿著黑溝河干渠，從西向東煤窯溝與黑溝河區間洪溝(洪溝1)、黑溝河下游河床(洪溝2)及黑溝河與恰勒坎之間(洪溝3)洪溝匯入后逐步演變成寬淺河床，分別流入勝金鄉后，流入B斷面。

二是黑溝河與恰勒坎之間洪溝(洪溝4)及恰勒坎與二塘溝之間洪溝(洪溝5)沿著100 km2的大戈壁分別流入到勝金鄉勝金臺和勝金口水庫，洪水通過千佛洞B斷面再與C斷面(勝金臺和勝金口水庫下泄量)在312國道處疊加后流進三堡鄉防洪D斷面。

三是黑溝河及各區間洪水在D斷面匯合后流入E斷面，最終流入到艾丁湖。

各洪溝位置及防洪斷面分布情況見圖1。

圖1 黑溝河下游各斷面布置示意圖

3.2 設計洪水計算思路

根據洪水沿程衰變實際情況，本次項目區E斷面洪水計算思路為：計算出A斷面衰減到D斷面的設計洪水，距離37.10 km；計算出洪溝1、洪溝2、洪溝3衰減到D斷面的設計洪水，距離4.70 km；C斷面設計洪水為勝金口水庫最大下泄量，勝金口水庫30 a一遇最大下泄流量11.61 m3/s，100 a一遇最大下泄流量11.76 m3/s，計算出C斷面衰減到D斷面的設計洪水；計算出D斷面衰減到E斷面的設計洪水，距離11.00 km。

4 黑溝河設計洪水計算

4.1 A斷面設計洪水

黑溝河除了有1981年、1998年、2005年和2012年洪水調查值外，沒有任何洪水資料。黑溝河流域以西有多條河溝和水文站，其中，距離最近的有煤窯溝和喀爾于孜薩依溝，煤窯溝水文站具有66 a(1955—2020年)長系列的水文資料，本次設計洪水計算以煤窯溝站作為參證站，采用推理公式法、洪峰模數法、洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法對黑溝河渠首引水A斷面進行分析計算[3]。洪水計算結果見表1。

表1 黑溝河渠首設計洪峰流量成果對比 m3·s-1

表1中，洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線法，采用1981年洪水調查值計算設計成果，重現期46 a相應的模比系數5.1452，重現期23 a相應的模比系數3.9302，求得KP值及黑溝河不同設計頻率的設計洪峰流量，但計算成果較其他兩種方法明顯偏小。1998年洪水調查值計算結果更小。

推理公式法用煤窯溝站1978—2020年實測最大1日和24小時點降水量系列進行頻率計算，得出多年平均最大1日和最大24小時降雨量、Cv、Cs及各頻率設計值。從《新疆維吾爾自治區可能最大暴雨圖集》《年最大24小時點雨量均值等值線圖》中可查出[4]，A斷面最大24小時點降水量均值為20.0 mm。再根據《新疆短缺資料中小河流設計洪水計算應用方法》可查出吐哈地區點面降雨量折算系數為1.263，用煤窯溝站24小時點降水量統計參數Cv=0.7、Cs/Cv=4.0，可計算出A斷面設計24小時點和面降水量。暴雨衰減指數n為0.80，土壤損失系數和土壤損失指數分別為0.90和0.62。結合該流域的下墊面條件情況，分別選用不同參數，計算出A點設計洪水。因為選用資料具有較好的代表性，各參數選用依據充分，所以，計算結果比較科學。

洪峰模數法：黑溝河與參證流域地處同一氣候分區，其流域特性、下墊面和洪水特性也具有相似性，但兩者集水面積相差過大，本次計算作為參考。

綜上分析，推理公式法計算成果介于洪峰模數法與洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線法計算成果之間，基于設計安全考慮，本次采用推理公式法計算成果作為黑溝河引水渠首A斷面設計洪水最終成果。

4.2 洪水衰減率分析

由于黑溝河上下游均缺乏洪水資料，下游各防洪斷面無法找出明顯的洪水痕跡，加之上下游只有一個洪水調查值，本次采用周邊水文站及河流洪水衰減實驗資料進行綜合分析。即采用黑溝河上下游洪水調查值和臨近河流煤窯溝和喀爾于孜薩依溝上下游洪水衰減率資料綜合確定黑溝河下游洪水衰減率，具體分析如下。

(1) 黑溝河上下游洪水衰減率計算。根據1981年A斷面及下游3.5 km處洪水調查值(分別為162.0 m3/s、145.0 m3/s)，采用洪峰流量沿程絕對衰減損失量，如式(1)：

Di=Qms-Qmx

(1)

式中：Di為洪峰流量沿程絕對衰減損失量，m3/s；Qms為上游斷面洪峰流量，m3/s；Qmx為下游斷面洪峰流量，m3/s

洪峰流量沿程每公里相對衰減損失率計算如式(2)：

Ki=(Qms-Qmx)/(Qms·Lsx)

(2)

式中：Ki為洪峰流量沿程每公里相對衰減損失率；Lsx為上、下游調查斷面之間的距離，km。

由式(1)計算出各調查斷面沿程絕對衰減損失量為17.0 m3/s，由式(2)可計算出洪峰流量沿程每公里相對衰減損失率為3.0%。

(2)煤窯溝河上下游洪水衰減率。2005年8月5日煤窯溝水文站實測最大洪峰流量246.0 m3/s，經6.0 km河道運行至調查斷面(下壩址)洪峰流量為219.0 m3/s，洪水相對衰減率為11.0%，平均每公里衰減1.8%。

(3)喀爾于孜薩依溝洪水衰減率計算。喀爾于孜薩依溝位于煤窯溝和塔爾朗流域區間的非控制區內，總面積為531 km2，其中山區(洪溝1、洪溝2、洪溝3)面積為144 km2，平原(戈壁)區面積為207 km2。等高線1400 m以下至葡萄溝溝口區域為平原區(戈壁區)，屬于不產流區，不可能發生洪水，為洪水散失區。洪水散失區河床距離為25.0 km，為洪水衰減段。2012年洪水調查衰減段洪峰流量為60.0 m3/s。

由式(1)計算出各調查斷面沿程絕對衰減損失量為147.0 m3/s，由式(2)可計算出沿程每公里相對衰減損失率為2.8%。

(4)衰減率確定。雖然黑溝河和臨近河流煤窯溝河集水面積相差較大，但是兩河上下游河床變化基本接近。喀爾于孜薩依溝屬于煤窯溝河下游洪溝，其河床組成和趨勢變化與黑溝河下游相似，因此，從偏于安全考慮，本次計算取用黑溝河、煤窯溝和喀爾于孜薩依溝每公里平均衰減率2.5%來計算黑溝河下游各防洪斷面設計洪水較為合理，見表2。

表2 黑溝河及周邊河流洪水衰減計算分析成果

4.3 各洪溝暴雨洪水計算

由于各區間無任何洪水資料，因此本次采用推理公式法計算各洪溝區間暴雨，其采用參數見表3。

表3 區間各洪溝暴雨洪水參數統計

用推理公式法計算各洪溝設計洪水成果。

4.4 項目區E斷面設計洪水計算

D斷面設計洪水構成為：A斷面衰減到D斷面的設計洪水+洪溝1、洪溝2、洪溝3衰減到D斷面的設計洪水+C斷面的設計洪水+洪溝6的設計洪水，E斷面設計洪水構成為：D斷面衰減到E斷面的設計洪水。其成果見表4和表5。

表4 項目區上游各斷面設計洪水成果 m3·s-1

表5 項目區E斷面設計洪水成果 m3·s-1

5 結 語

黑溝河無水文資料，區間有多條洪溝匯入，使得下游三堡鄉防洪工程D斷面、E斷面的設計洪水計算難度大大增加。通過分析可知，黑溝河洪水從上游渠首引水斷面開始到下游，一直處于衰減情況。經過確定黑溝河洪水衰減率2.5%，由渠首設計洪水逐漸演算到各洪溝匯入節點，進而推算出防洪工程D斷面、E斷面不同頻率下的設計洪峰流量，為工程建設提供了科學依據。