莫托溝渠首設(shè)計洪水計算方法探析

烏仁娜

（新疆維吾爾自治區(qū)博爾塔拉水文勘測局，新疆 博爾塔拉 833400）

1 工程概況

莫托溝位于新疆溫泉縣哈日布呼鎮(zhèn)境內(nèi)，發(fā)源于阿拉套山中段南麓，為博爾塔拉河支流[1]。莫托溝北岸匯入的較大支流自西向東依次為確龍?zhí)販稀⒍罉驕稀①澑駷跆K溝、艾力克吐直克溝等；南岸匯入的較大支流自西向東依次為桑得克賽溝、馬夏溝、巴音達(dá)拉溝、烏爾達(dá)克賽河及大河沿子河等。

莫托溝屬典型大陸性氣候，降水量年內(nèi)分配不均，季、月變化懸殊，連續(xù)最大4 個月降水量集中在5—8 月，占年降水量的61.0%。莫托溝出山口以上區(qū)域（山區(qū)）為徑流形成區(qū)，受山體地形及水汽作用，降水相對豐沛；受外部流水侵蝕作用影響，山體切割較深，河谷深窄，多呈“V”形，階地發(fā)育明顯，主河道縱比降為64.8‰。莫托溝上游山區(qū)人類活動較少，地面植被良好；中、下游兩岸地勢比較平緩，植被覆蓋度低。莫托溝自北向南出山口以下逐漸散失于山前沖洪積扇平原區(qū)。

規(guī)劃建設(shè)的莫托溝渠首工程位于莫托溝出山口處，距哈日布呼鎮(zhèn)阿爾夏特村北約5 km，渠首斷面以上集水面積63.09 km2，河長23.31 km，年徑流量1 898 萬m3。為了解決莫托溝灌區(qū)工程性缺水的需要，需對莫托溝擬建渠首工程進(jìn)行洪水分析計算。

2 水文基礎(chǔ)資料收集

2.1 水文資料選取

莫托溝流域無水文站，為滿足分析計算需要，選取了同流域相同地帶的溫泉水文站（博爾塔拉河）、阿合奇水文站（烏爾達(dá)克賽河）、沙爾托海水文站（大河沿子河）、精河山口水文站（精河）作為本次洪水分析的參證站，觀測項目包括水位、流量、懸移質(zhì)輸沙率、降水量、蒸發(fā)量、水溫、氣溫、水質(zhì)等[2]。所選參證站的水文資料均經(jīng)過整編，符合國家行業(yè)技術(shù)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)和要求，數(shù)據(jù)成果可靠，滿足計算要求。

2.2 野外調(diào)查

為準(zhǔn)確分析莫托溝渠首斷面洪水，由博爾塔拉水文勘測局組織，對莫托溝流域歷史洪水進(jìn)行了專項調(diào)查，開展了大斷面測量、洪痕辨認(rèn)與確定，上、下斷面洪水水面比降測量和流量實測等工作。經(jīng)調(diào)查，莫托溝歷史最大洪水發(fā)生在1974年7月，經(jīng)對附近流域復(fù)核溫泉水文站和阿合奇水文站1974 年發(fā)生最大洪水的時間均為7 月。由此可見，莫托溝流域與相鄰流域發(fā)生洪水的時間一致，洪峰流量為76.5 m3/s，洪水重現(xiàn)期為44 a一遇。

3 洪水類型及成因

根據(jù)同流域同地帶參證站水文資料分析，莫托溝渠首洪水主要有3種類型：①冰雪融水型洪水，發(fā)生在春、夏季，由中高山冰雪融水形成，其發(fā)生時間早于其他類型洪水，且洪峰流量較小，持續(xù)時間長。此類洪水出現(xiàn)的時間早與晚、洪峰流量大與小，與氣溫回升速度的快慢、高溫天氣持續(xù)時間的長短等因素密切相關(guān)。②暴雨型洪水，常見于中、低山帶和前山山麓地帶，洪水發(fā)生時間和暴雨出現(xiàn)的時間相吻合，洪水的大小和強(qiáng)度取決于暴雨的量級和強(qiáng)度。③混合型洪水，為冰雪融水型洪水與暴雨型洪水疊加形成的洪水。由于混合型洪水組成不同，因而兼有前2種洪水的特征，不僅起漲流量較大，而且洪峰流量和洪水總量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上述2種單一型洪水。

以上3 種類型洪水大多發(fā)生在夏季的6—8 月。通過對阿合奇水文站夏洪頻次分析發(fā)現(xiàn)，烏爾達(dá)克賽河年最大洪水發(fā)生在7月的頻次最高達(dá)52.1%，其次是8月頻次為45.8%；年最大洪水發(fā)生最少的是6月，頻次僅為2.1%。這從另一個側(cè)面反映了烏爾達(dá)克賽河流域洪水與高溫、冰川和暴雨影響關(guān)系密切的特點。

4 設(shè)計洪水計算

本次研究采用洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法、推理公式法、調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法、面積指數(shù)法4種方法，推算莫托溝渠首設(shè)計洪水。

4.1 洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法

選取與莫托溝渠首同屬一個水文分區(qū)的烏爾達(dá)克賽河阿合奇水文站、大河沿子河沙爾托海水文站、精河山口水文站作為參證站，根據(jù)各站實測年最大洪峰流量及歷史調(diào)查洪水資料，采用洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法，推求莫托溝渠首不同頻率的洪峰流量，具體計算方法和步驟如下：①分別計算各站洪峰流量系列模比系數(shù)；②將各站洪峰流量系列模比系數(shù)點在同一張幾率格紙上，取各站同頻率模比系數(shù)外包線值配成頻率曲線，繪制地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線；③在曲線上查出調(diào)查洪水模比系數(shù)Kd；④將設(shè)計頻率模比系數(shù)Kp和調(diào)查洪峰流量Qd，代入洪峰流量計算公式，求出莫托溝渠首設(shè)計洪峰流量。設(shè)計洪峰流量計算公式為：

式中：Qp為設(shè)計洪峰流量（m3/s）；Kp為設(shè)計頻率模比系數(shù)；Kd為調(diào)查洪水模比系數(shù)；Qd為調(diào)查洪峰流量（m3/s）。

莫托溝渠首不同頻率設(shè)計洪峰流量計算結(jié)果，詳見表1。

表1 莫托溝渠首不同頻率設(shè)計洪峰流量計算結(jié)果

4.2 推理公式法

4.2.1 設(shè)計暴雨計算

根據(jù)溫泉水文站1960—2016 年連續(xù)57 a 實測最大1 d降雨量系列推求該區(qū)域設(shè)計暴雨。查《新疆短缺資料中小河流設(shè)計洪水計算應(yīng)用方法》（2013年5月）“時段降雨量折算系數(shù)參考表”“點面降雨量折算系數(shù)參考表”[3]，日降雨量折算為24 h 降雨量，系數(shù)為1.13，博爾塔拉河點面降雨量折算系數(shù)為2.054。溫泉水文站不同頻率最大降雨量計算結(jié)果，詳見表2。

表2 溫泉水文站不同頻率最大降雨量計算結(jié)果 mm

4.2.2 設(shè)計洪水計算

（1）計算公式。水利部推薦的推理公式法基本公式為：

式中：Qmp為設(shè)計洪峰流量（m3/s）；Sp為設(shè)計雨力（mm/h）；τ 為匯流歷時（h）；n為暴雨指數(shù)；F為流域面積（km2）；L為河道長度（km）；m為匯流參數(shù)；J為河道平均比降；φ為洪峰徑流系數(shù)，分部分匯流和全面匯流2種情況，當(dāng)產(chǎn)流歷時tc＜τ時為部分匯流，當(dāng)tc≥τ時為全面匯流。

分別選取相應(yīng)暴雨指數(shù)n1、n2進(jìn)行試算，推求設(shè)計洪峰流量。

產(chǎn)流歷時tc由下式計算：

式中：tc為產(chǎn)流歷時（h）；μ為凈雨歷時內(nèi)平均損失率（mm/h）；其余變量含義同上。

（2）參數(shù)選取與計算。流域特征參數(shù)F、L、J值在1∶50 000地形圖上量算得出。沿河道繪出各山洪溝分水嶺，確定流域面積為63.09 km2；沿主溝從出口斷面至分水嶺最長距離L為23.31 km；沿流程L的平均比降J為64.8‰。根據(jù)《新疆短缺資料中小河流設(shè)計洪水計算應(yīng)用方法》（2013年5月）“暴雨遞減指數(shù)參考表”，結(jié)合流域?qū)嶋H情況，n1取0.73，n2取0.78。

某設(shè)計頻率雨力計算公式為：

式中：H24p為某設(shè)計頻率最大24 h面雨量（mm）；其余變量含義同上。

損失系數(shù)計算公式為：

式中：R為損失系數(shù)；r為損失指數(shù)，即不同下墊面條件不同土類平均損失的計算參數(shù)；其余變量含義同上。

r可根據(jù)《新疆短缺資料中小河流設(shè)計洪水計算應(yīng)用方法》（2013 年5 月）“各類土壤損失參數(shù)R、r參考表”查得。經(jīng)分析工程場址處土壤、植被及降雨情況，R、r分別取1.08、0.75。

無資料條件下匯流參數(shù)m值可根據(jù)《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》（SL44-2006）“小流域下墊面條件分類表”查得，為0.552。莫托溝渠首不同頻率設(shè)計洪峰流量計算結(jié)果，詳見表3。

表3 莫托溝渠首不同頻率設(shè)計洪峰流量計算結(jié)果

4.3 調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法

調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法是無水文資料的中小流域設(shè)計洪水的常用方法之一，主要通過圖表查算、產(chǎn)流試算、匯流計算來完成計算。

4.3.1 產(chǎn)流計算

利用《新疆維吾爾自治區(qū)可能最大暴雨圖集》查得天山北坡地區(qū)逐時雨量分配過程，根據(jù)雨量分配過程假設(shè)產(chǎn)流歷時為tc，在《新疆維吾爾自治區(qū)中小流域設(shè)計暴雨洪水圖集》產(chǎn)流綜合圖上查出相應(yīng)產(chǎn)流期平均損失率f，求得產(chǎn)流期雨量Ptc，驗證tc是否合適[4]。之后，計算產(chǎn)流期平均凈雨強(qiáng)度I凈。

4.3.2 匯流計算

根據(jù)集水面積F和凈雨強(qiáng)度I凈在《新疆維吾爾自治區(qū)中小流域設(shè)計暴雨洪水圖集》的匯流綜合圖上查得相關(guān)參數(shù)，采用下式求出調(diào)蓄經(jīng)驗單位線公比：

式中：b為調(diào)蓄經(jīng)驗單位線公比；Δt為匯流時段（h）；t0為初損歷時（h）。

將Δt時段的雨量換算成凈雨量，其計算公式為：

式中：Ii為凈雨量（mm）；F為區(qū)域面積（km2）；Ri為損失系數(shù)；其余變量含義同上。

Ii乘以無窮遞減等比級數(shù)值并依次疊加，可得出地面徑流過程，再合成基流即設(shè)計洪水過程線，其最大值即設(shè)計洪峰流量。設(shè)計洪水計算結(jié)果，詳見表4。

表4 莫托溝渠首不同頻率設(shè)計洪峰流量計算結(jié)果匯總m3/s

4.4 面積指數(shù)法

根據(jù)參證站溫泉水文站及阿合奇水文站的設(shè)計洪峰流量，采用面積指數(shù)法推算莫托溝渠首設(shè)計洪峰流量，其計算公式為：

式中：Q設(shè)和Q站為莫托溝渠首斷面和參證站斷面的設(shè)計洪峰流量（m3/s）；F設(shè)和F站為莫托溝渠首斷面和參證站斷面集水面積（km2）。

莫托溝渠首、溫泉水文站、阿合奇水文站集水面積分別為63.09、2 206、938 km2，采用式（9）推算莫托溝渠首設(shè)計洪峰流量，計算結(jié)果詳見表4。

4.5 設(shè)計洪水計算結(jié)果合理性分析

推理公式法因其計算方法中所需確定的參數(shù)較多，且缺少流域或流域附近區(qū)域的相關(guān)實驗分析數(shù)據(jù)，使得計算精度無法保證；調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法的匯流參數(shù)t0和tm值均直接來自實測洪水過程線的宏觀分析，對小流域適應(yīng)性較差；面積指數(shù)法因其選用的參證站溫泉水文站和阿合奇水文站分屬2 條河流，其產(chǎn)匯流、下墊面條件、流域集水面積和河槽調(diào)蓄能力與莫托溝差別較大，所以各計算斷面的設(shè)計值存在明顯差異；洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法綜合出地區(qū)洪水的規(guī)律性，充分利用設(shè)計流域調(diào)查洪水資料，解決了實際工作中無洪水資料流域設(shè)計洪水問題，因此推薦此方法計算結(jié)果作為本次莫托溝渠首工程設(shè)計洪水計算結(jié)果。各方法推求的莫托溝渠首設(shè)計洪水計算結(jié)果匯總，詳見表4。

5 結(jié)語

通過計算分析可知，以溫泉水文站、阿合奇水文站、沙爾托海水文站、精河山口水文站洪水資料頻率計算為基礎(chǔ)，采用氣候地形條件基本相似的水文站洪水資料，編制洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線，推求莫托溝渠首計算斷面設(shè)計洪水，縮小了計算結(jié)果因各站水文特性的差別和單站洪水資料推求設(shè)計洪水時的任意性，其50 a 一遇洪峰流量為80.0 m3/s，因此認(rèn)為設(shè)計計算結(jié)果合理。