新疆白杨河巴依托海渠首除险加固工程洪水分析计算

柴 扬

（吐鲁番市清源水利水电勘测设计院有限公司,新疆 吐鲁番 838000）

1 概况

巴依托海渠首位于托克逊县白红山水库上游8.5 km处的杨河上,海拔高程417 m,集水面积2619 km2,巴依托海渠首主要功能是引白杨河水为红山水库供水,从而为托克逊县郭勒布依乡和夏乡灌区供水,控制灌溉面积11.86 万亩。

2009 年2 月对渠首进行了安全鉴定,依据《水闸安全鉴定规定》（SL 214-98）的规定,本水闸属于四类闸,须拆除重建。

根据《水闸设计规范》（SL265—2001）“平原区水闸枢纽工程分等指标）”,该工程最大过水流量大于100 m3/s。工程等级属中型III等工程,其主要建筑物为3 级,次要建筑物为4级。据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2001）,本区地震动峰值加速度为0.10 g,地震动反应谱特征周期0.40 s,对应地震基本烈度为Ⅶ度。据《水工建筑物抗震设计规范》（SL 203-97）的规定,引水工程及其他主要建筑物设计烈度为Ⅶ度。

2 气象

托克逊县地处欧亚大陆腹地,北、西、南均有高山屏障,地势低洼,冷湿空气不易进入,为典型的温带大陆性干旱气候,其主要特点是：酷热、干燥、多大风、降雨稀少、蒸发强烈,气温年际变化不大,而日差较大,无霜期长。气候特征总体表现为：春季气温回升快、大风频繁、风沙危害严重；夏季较长且高温酷热；秋季降温迅速、天气多晴好；冬季短暂而干冷、风小雪稀。

3 水文

受托克逊县政府和水利局的委托,吐鲁番水文水资源勘测局于2008 年12 月在白杨河小草湖渠首上游5 km处处设立了小草湖专用站,主要监测项目有水位、流量,测验方式以巡测为主。该站距上游峡口站25 km,测站高程694 m,集水面积2500 km2。

白杨河小草湖专用站监测了2009 年～2011 年3 年,平水期每月测1～2 次,发生洪水时适当增加测次。2009 年全年实测流量27 份,其中流速仪25 份,中泓浮标2 份,最大流量10.9 m3/s,最小流量1.83 m3/s。2010 年全年实测流量18 份,最大流量6.15 m3/s,最小流量2.04 m3/s。2011 年全年实测流量16 份,最大流量9.62 m3/s,最小流量2.24 m3/s。水位流量关系采用连实测法整编,经分析,2010 年与2011 年的流量资料代表性较差。因此,根据白杨河2009 年阿拉沟站与白杨河小草湖专用站同期资料做对比分析,找出阿拉沟站与白杨河小草湖专用站同期来水的规律,对白杨河小草湖专用站的2009 年～2011 年来水量过程进行修正。经复核,认为资料精度能满足工程设计要求。

4 设计洪水

4.1 洪水成因类型

白杨河巴依托海洪水成因有二：其一是山区降雨特别是中高山区突降暴雨而形成暴雨洪水；其二是由于天气变暖、气温升高致使冰川、积雪融化而形成冰雪融水洪水。经分析,85%以上的洪水都由暴雨所致,冰雪融水洪水只占较少一部分。但当暴雨突发时,由于天气骤变易引起冰雪融水洪水,两种类型的洪水累加在一起,常常对下游产生极大的破坏性。

4.2 参证站确定

以白杨河峡口站（资料系列：1956 年～1958 年、1979 年～1987 年）的径流量加上还原水量,再与周边径流成因和流域下垫面条件相似河流的水文站建立相关关系,进行参证站的选择。经分析,阿拉沟站与峡口站关系较好,因此,选取阿拉沟站为参证站,见表1。

表1 白杨河峡口站与周边长系列站年径流相关表

4.3 参证站的洪水样本系列分析

（1）长短系列统计参数对比分析

将阿拉沟站1957 年～2011 年的实测年最大洪峰流量系列,按不同系列长度进行统计参数（见表2）。从表中可看出,均值与Qv值在47年以后趋于稳定[1-3]。

表2 阿拉沟水文站洪峰流量长短系列统计参数对照表流量：m3/s

（2）模比系数累积平均曲线分析

阿拉沟站年最大洪峰系列均值随系列长度增加曲线趋近1.0,自2011 年向前推,在1996 年之前出现递减递增过程,递减过程是受2001 年的最小洪水（1986 年以来的最小洪水）影响；递增过程主要是受1996 年发生的大洪水的影响,其他时间为平缓的递减过程,当系列长度达42 年以上时,均值波幅小于5%,渐趋稳定[2、7]。图1 为阿拉沟站洪峰流量模比系数累积平均曲线图。

图1 阿拉沟水文站洪峰流量模比系数累积平均曲线图

（3）模比系数差积曲线分析

阿拉沟站洪峰模比系数差积曲线可看出系列有较完整的增减过程,55年的资料中1957年～1985年为小洪水年份,1986年～1993年为中洪水年份,1994年～2000年为大洪水年份,2001年～2011年为中洪水年份,样本代表性可靠。图2为阿拉沟站洪峰模比系数差积曲线图。

图2 阿拉沟水文站洪峰流量模比系数差积曲线图

综合上述三个方面的分析,阿拉沟站的洪峰流量系列统计参数具有一定的稳定性,其年际变化过程包含了较完整的周期性特征,具有一定的代表性。

4.4 参证站的设计洪峰流量计算

（1）经验频率及统计参数计算方法

洪水经验频率曲线及统计参数估算用连序系列计算公式[4、5],公式如下：

式中：n为系列项数；Pm为按大小顺序排位的第m项洪水的经验频率；xi为实测洪水变量（i=l+1,…,n）；x为洪水变量均值；Cv为洪水变量变差系数。

Cs与Cv的比值采用经验法,人工适线确定。

（2）设计洪峰流量计算

用阿拉沟水文站洪峰流量系列按连序系列进行频率分析计算,采用P-Ⅲ型曲线,计算机优选适线,其结果同周边长系列站（英雄桥、煤窑沟等站）统计参数Cv,Cs/Cv比较（见表3、表4）,基本一致,符合地区统计参数分布规律[7、8]。

表3 阿拉沟站洪峰流量统计参数成果表 流量：m3/s

表4 阿拉沟周边站洪峰流量统计参数成果表

4.5 参考站设计洪水成果的合理性分析

图3 为阿拉沟水文站洪水统计参数及设计值与历时关系图,由图可见：各点位置无突出偏离,随历时的增加,时段洪量逐渐减少,但洪峰流量及1 日洪量明显较大,这种情况与阿拉沟水文站场次洪水历时多不超过3 日吻合。Cv值随历时的增加,亦呈递减之势,表明随历时增加,洪量的年际变幅变小。

图3 阿拉沟水文站设计洪水统计参数及设计值与历时关系图

本次阿拉沟水文站1 日洪量及洪峰流量频率计算结果显示：1日洪量适线参数Cv值（1.50）略大于洪峰流量适线参数Cv值（1.35）。从1日洪量及洪峰流量的系列极值比来看,1日洪量极值比（27.1）大于洪峰流量极值比（25.7）,1日洪量最大模比系数（6.823）也大于洪峰流量最大模比系数（5.368）。另外,排位第一的1日洪量与排位第二的1日洪量比值（2.02）均大于相应洪峰流量比值（1.53）,说明1日洪量的系列Cv值偏大是客观存在的事实。虽然大多数河流规律是洪峰系列的Cv值大于1日洪量系列的Cv值,但从理论上讲,出现这种情况也是可能的。阿拉沟水文站1996年7月20日的大洪水过程,1日洪量很大,该日（1996年7月20日）平均流量高达334 m3/s,而洪峰流量为490 m3/s,说明该次洪水1日洪量要比洪峰流量突出,又说明该河1 日洪量比洪峰流量年际变化要大,因此阿拉沟水文站1 日洪量适线参数Cv值略大于洪峰流量Cv值是合理的[9]。

4.6 巴依托海渠首设计洪水

白杨河洪水的发生时间集中于夏季5月～8月间,初步分析,有三种洪水类型,分别为暴雨洪水、冰雪融水洪水、混合型洪水和冰塞冰坝溃坝洪水。

本次巴依托海渠首设计洪水标准20年一遇,校核洪水标准50年一遇。根据《新疆托克逊县白杨河巴依托海渠首除险加固工程水文分析计算》报告,经过分析计算比较,推荐使用利用洪水沿程变率计算巴依托海渠首的设计洪峰流量计算成果值做为工程断面设计洪峰流量的成果。不同频率设计洪峰流量成果见表5。

表5 巴依托海渠首设计洪峰流量成果对比表

5 结论

本次主要对巴依托海渠首参证站的设计洪峰流量进行计算,并通过对参考站的洪水样本系列分析,采用长短系列统计参数对比分析、莫比系数累积平均曲线分析、模比系数差积曲线分析,其年际变化过程包含了较完整的周期性,具有一定的代表性。通过对巴依托海渠首的设计洪水进行计算和分析,为此类渠首的洪水计算提供了设计依据,结合巴依托海渠首的实施,该计算与分析的成果是可靠的。