基于多河流交匯的吐魯番旅游項目設計洪水計算

程 鵬

(吐魯番水文勘測局,新疆 吐魯番 838000)

吐魯番市旅游項目觀光停車基地西側至東側上游分布有4條洪溝介于塔爾朗河與煤窯溝河之間,為了確保基地安全,需對其設計洪水進行分析。

1 概 況

吐魯番市旅游項目觀光停車基地上游分布有桃兒溝、喀爾于孜薩依溝、達板能薩依及區間洪溝(區間1),其面積分別為85.3km2、52.9km2、20.1km2和68.0km2,溝長分別為16.5km、12.3km、9.0km和18.6km,4條洪溝的總面積為226km2。洪水在下游匯集后進入項目區。其洪溝流域水系分布詳見圖1。

圖1 項目區上游洪溝、洪水調查斷面分布圖

2 洪水衰減與計算思路

2.1 沿程變率分析

4條洪溝洪水主要形成于上游中、高山區,出山口以上是洪水逐漸增大過程,屬于洪水疊加區,出山口以下洪水均為遞減過程[1]。根據項目區上下游洪水成因和沿程變化,按最不利因素考慮,從4條洪溝出山口到項目區之間共布設了7個斷面和3個暴雨區間,見圖1。①桃兒溝出山口洪水A斷面;②桃兒溝出山口洪水到B斷面區間,命名為區間2,洪水流入到B斷面及項目區(AA斷面);③喀爾于孜薩依溝、達板能薩依及區間洪溝命名為區間1;④喀爾于孜薩依溝、達板能薩依及區間1洪溝洪水匯合到C斷面;⑤C斷面到葡萄溝區間,命名為區間3,洪水流入到D、E斷面及項目區(AB斷面);⑥葡萄溝至溝口區間,命名為葡萄溝,洪水流入到E斷面及項目區(AB斷面)。

2.2 洪水計算思路

根據旅游停車基地東西兩側的洪水沿程衰變實際情況,本次設計洪水計算思路為:

1)項目區西側AA斷面洪水計算:計算出桃兒溝B斷面的設計洪水;計算出B斷面設計洪水衰減到AA斷面的設計洪水;

2)項目區東側AB斷面洪水計算:計算出C斷面衰減到E斷面的設計洪水;計算出區間3洪水衰減到E斷面的設計洪水;計算出葡萄溝區間的設計洪水;計算出E斷面的設計洪水;計算出E斷面設計洪水衰減到AB斷面的設計洪水。

3 參證站站洪水計算

煤窯溝河與三條洪溝相鄰,同處于天山南坡,出山口平行相距5～6km,下墊面要素相似,同受大尺度天氣影響,出山口以上徑流形成條件大致相同。因此選煤窯溝水文站作為為參證站。煤窯溝站連續洪峰流量系列有46a(1976—2021年),其中把1969年洪峰流量作為特大值處理,用不連序47a系列(重現期為67a),進行設計洪峰的分析計算。煤窯溝水文站設計洪峰流量成果(1976—2021年)見表1。其中Cv為1.2,Cs/Cv為3,均值為93.8m3/s。

表1 3條洪溝設計洪峰流量成果對比表

4 項目區設計洪水計算

4.1 東側上游洪溝洪水計算

項目區東側上游的喀爾于孜薩依溝、達板能薩依、區間1洪溝,屬無水文資料區,本次采用洪峰模數法、推理公式法及地區洪峰流量模比系數綜合頻率線法分別計算3條洪溝設計洪水。計算結果見表1。

由于煤窯溝與3條洪溝集水面積相差較大,所以洪峰模數法計算成果僅供參考。推理公式法雖然是在天山南坡地區中小流域較長系列的實測洪峰流量基礎上經過分析、綜合而成的,但計算中的暴雨衰減、土壤損失等選用參數,主要參考教材中提供的試驗數據,造成計算結果較綜合頻率曲線法小。基于設計安全,本次推薦采用綜合頻率曲線法的計算成果。

4.2 西側上游桃兒溝洪水計算

根據高昌區水利局評審通過的《新疆吐魯番市高昌區桃兒溝河上游段防洪工程暴雨洪水分析計算》報告的設計洪水成果,作為桃兒溝下游(即本次設計B斷面)的設計成果,見表3。

4.3 洪水衰減率

4.3.1 東側上游3條洪水衰減率計算

停車基地東側上游3條洪溝位于煤窯溝和塔爾朗流域區間的非控制區內,出山口以上總面積為141km2,吐魯番水文勘測局于2012年9月與10月分別對出山口與下游葡萄溝蘇巴什大橋進行了洪水調查,作為洪水衰減段。洪峰流量沿程絕對衰減損失量計算公式如下:

Di=Qms-Qmx

(1)

式中:Di為洪峰流量沿程絕對衰減損失量,m3/s;Qms為上游調查斷面洪峰流量[2],207m3/s;Qmx為下游調查斷面洪峰流量,71m3/s。

洪峰流量沿程每公里相對衰減損失率計算公式如下:

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;Qms為上游調查斷面洪峰流量,207m3/s;Qmx為下游調查斷面洪峰流量,60.2m3/s;LSx為上、下游調查斷面之間的距離,25km。

由公式(1)計算出各調查斷面沿程絕對衰減損失量為136m3/s,由公式(2)計算出沿程每公里相對衰減損失率為2.8%。

4.3.2 周邊河流洪水衰減率

由于項目區缺乏資料,一種方法計算洪水衰減過于簡單,且依據也不充分。本次采用2008年8月吐魯番水文局完成的《新疆吐魯番市煤窯溝水庫工程水文分析計算》報告中的衰減率1.8%成果和柯柯亞河2007年7月11日做的洪水衰減率實驗成果資料2.3%,進行不同量級洪水衰減率綜合分析。

4.3.3 衰減率確定

項目區停車基地上游3條洪溝洪水平均衰減率的最終確定值,取項目區車輛基地上游3條洪溝衰減率2.8%、煤窯溝衰減率1.8%和柯柯亞衰減率2.3%的平均值,衰減率為2.4%。

4.4 各區間暴雨洪水計算

由于區間3和葡萄溝無任何洪水資料,因此本次采用推理公式法計算區間暴雨,其采用參數見表2,計算成果見表4。

表2 各區間各暴雨洪水參數統計表

4.5 停車基地設計洪水計算

4.5.1 西側AA斷面設計洪水計算

AA斷面距離桃兒溝B斷面5.1km,根據區間洪水損失率2.8%,利用上游B斷面設計洪峰流量和公式(2)計算項目區停車基地的設計洪峰流量,計算結果見表3。

表3 項目區停車基地AA斷面設計洪峰流量成果表

4.5.2 東側AB斷面設計洪水計算

1) 項目區河段洪水情勢分析。

經調查:C區間下游末端有兩處滯洪池,一處在蘭新二線鐵路附近,儲水能力約為50萬m3,另一處在G30連霍高速附近,儲水能力約為70萬m3,考慮到淤積,本次計算兩個滯洪池儲水能力取值100萬m3。

根據煤窯溝流域第一人民渠設計資料:“第一人民渠36.376km,水源主要來自煤窯溝水庫。水庫至蘇巴什段長30.788km,設計流量12m3/s;景區段長4.388km,設計流量50m3/s;葡萄溝水庫入庫段長1.2km,設計流量38m3/s。”

綜上,本次項目區東側AB斷面設計洪水分兩種情況進行分析計算:①按天然情況計算,既不考慮兩個滯洪池儲水影響,也不考慮葡萄溝水庫的引水能力,計算項目區東側AB斷面設計洪水;②上游3條洪溝及區間3的洪水經過兩個滯洪池,經調節后剩余洪水進入下游葡萄溝,剩余洪水與葡萄溝區間洪水匯合后進入項目區(考慮葡萄溝水庫引水情況)。

2) 天然條件下AB斷面設計洪水計算。

根據洪水衰減損失率計算成果,區間每公里洪水損失率為2.8%,利用上游各區間設計洪峰流量和公式(2)計算項目區停車基地的設計洪峰流量,計算結果見表4。

表4 項目區AB斷面設計洪峰流量成果表

C斷面設計洪水構成為:喀爾于孜薩依溝的設計洪水+區間1的設計洪水+達板能薩依的設計洪水。

E斷面設計洪水構成為:C斷面衰減到E斷面的設計洪水+區間3衰減到E斷面的設計洪水+葡萄溝區間的設計洪水。

項目區AB斷面設計洪水構成為:E斷面衰減到AB斷面的設計洪水。

3) 工況下AB斷面設計洪水計算

工況下AB斷面洪水計算思路:C斷面設計洪水構成為:喀爾于孜薩依溝的設計洪水+區間1的設計洪水+達板能薩依的設計洪水。

D斷面天然條件下洪水構成:C斷面衰減到D斷面的設計洪水+區間3設計洪水。

D斷面工況條件下洪水構成:D斷面設計洪水進入兩處滯洪池,當洪量超過100萬m3后,剩余洪水開始進入葡萄溝。

E斷面設計洪水構成為:D斷面工況下設計洪水+葡萄溝區間的設計洪水。

項目區AB斷面設計洪水構成分為兩種情況:①不考慮葡萄溝水庫引水,項目區AB斷面設計洪水為E斷面衰減到AB斷面的設計洪水;②考慮葡萄溝水庫引水,項目區AB斷面設計洪水為:E斷面設計洪水一部分進入葡萄溝水庫,剩余洪水再衰減到AB斷面的設計洪水。

通過以上兩種情況的分析計算,綜合考慮因水庫蓄水、水庫安全運行等最不利因素,在特殊情況下洪水未進入水庫,直接流入項目區停車基地(即第②種情況),成果見表5。

表5 項目區車輛基地AB設計洪峰流量成果表

5 結 語

項目區停車基地位于桃兒溝下游與葡萄溝下游之間,本次計算主要有參證站煤窯溝水文站、項目區西側桃兒溝及東側上游3條洪溝設計洪水計算,桃兒溝設計洪水采用《新疆吐魯番市高昌區桃兒溝河上游段防洪工程暴雨洪水分析計算》報告計算成果,3條洪溝洪水采用洪峰流量地區綜合法計算結果,最后采用衰減法計算項目區停車基地洪水成果,經過分析計算,停車基地AA段、AB段百年一遇設計洪峰流量分別為54.5m3/s,74.4m3/s,為項目防洪保安建設提供了科學依據。