玛纳斯河防洪工程洪峰分析与设计洪水计算

胡先林

（新疆维吾尔自治区昌吉市水文勘测局，新疆乌鲁木齐830001）

玛纳斯河防洪工程洪峰分析与设计洪水计算

胡先林

（新疆维吾尔自治区昌吉市水文勘测局，新疆乌鲁木齐830001）

玛纳斯河洪水类型十分复杂，设计洪水计算与分析较为困难。采用实测系列分析与还原后系列分析方法对洪峰系列进行插补延长，得到玛纳斯河历史洪水洪峰流量为5560m3/s，采用模比系数差积曲线分析法与模比系数累积平均过程线分析法对实测年最大流量样本进行代表性检验，分析得到卡群站洪峰流量系列较长，且具有一定的代表性，将之作为参证站设计洪水依据，结合卡群站洪峰沿程变化历程，对玛纳斯河设计洪水进行计算，结果表明，考虑历史洪水并采用不连续系列得到的计算成果更为合理，对水利工程设计更为安全。

玛纳斯河；洪峰系列；插补延展；代表性分析；设计洪水

玛纳斯河发源于北天山中段依连哈比尔尕山乌代肯尼河的43号冰川，全长420 km。源头区的冰川孕育着包括玛纳斯河在内的河流800条，冰川面积608 km2，其中玛纳斯河是准噶尔内陆区冰川规模最大的一条河流。玛纳斯河洪水以其极高的起涨速率，异常高的洪峰值而闻名于世，洪水问题吸引了众多中外学者，对之的研究日趋深入。经过几十年分析研究，表明玛纳斯河并存四种不同类型的洪水，即：（1）冰雪消融型洪水；（2）冰川“溃坝型”洪水；（3）暴雨型洪水；（4）混合型洪水，四种洪水具有不同的成因。

由于玛纳斯河洪水类型复杂，计算其设计洪水也较困难。设计洪水是水利水电工程规划设计的重要标准[1-2]。准确、具有代表性地推求设计洪水直接影响到水利工程的设计与施工质量。本文分析了玛纳斯河洪峰系列，并完成了设计洪水计算。

1 洪峰系列插补展延

参证站卡群站、衣干其渡口站洪峰系列长度分别为57年、39年，资料系列长度均达到《水利水电工程设计洪水计算规范》要求，因此本次对各参证站实测洪峰系列不作插补展延。由于卡群站设计洪峰计算加入1880年历史洪水，衣干其渡口站无1880年历史洪水调查值。为各参证站设计洪峰计算方法统一，本次对衣干其渡口站1880年历史洪水峰值进行插补。

1.1 按实测系列分析

绘制卡群站、衣干其渡口站1972-2010年最大洪峰流量相关关系图见图1。由图中相关公式：Q衣干其=0.57Q卡群+260，计算1880年衣干其渡口站历史洪水洪峰流量Q衣1880=5470 m3/s。

图2 卡群和衣干其渡口站还原后最大洪峰流量相关图

图1 卡群站～衣干其渡口站年最大洪峰流量相关关系图

1.2 按还原后系列分析

根据《新疆玛纳斯河防洪一期工程水文分析计算》有关内容，绘制卡群站与依干其渡口站（1967-2005年）天然洪峰系列（还原后系列）最大洪峰流量相关关系图见图2。由图中相关公式：Q衣干其=0.5585Q卡群+458，计算1880年衣干其渡口站历史洪水洪峰流量Q衣1880=5560 m3/s。

历史洪水洪峰流量采取两种方式推求，相对误差最小，为了设计工程的安全，挑选较大洪峰流量作为历史洪峰流量。

2 代表性分析

由新疆水利学会水文专业委员会2002年5月所作的《新疆玛纳斯河防洪规划洪水水文分析计算》中，设计洪峰流量最终推荐综合法成果，即用卡群站实测年最大流量样本推求，此系列中含不同类型的洪水。因此本次只针对实测年最大流量样本作代表性分析[2]。

2.1 模比系数差积曲线分析

图3为卡群站含“溃坝型”洪水的年最大洪峰流量及消融型洪水洪峰流量系列模比系数差积曲线。从中可见曲线年际变化较消融型洪水更为剧烈,除1984-1996是较明显的小洪水年群，1997-2008是较明显的大洪水年群外，其它年份内一般为5-6年周期规律，但均有较完整的增减水过程[3]。

图3 卡群站洪峰流量模比系列差积曲线图

2.2 模比系数累积平均过程线分析

由图4可见，当系列长度在20年以上，自2010年向前推对含“溃坝型”洪水的年最大洪峰流量模比系数累积曲线在1上下波动，波幅小于5%。当系列长度在33年以上时，模比系数累积曲线稳定趋近于1，波幅小于2%，也已具有较好的代表性。

图4 卡群站洪峰流量模比系数累积平均过程线

2.3 长短系列统计参数对比分析

从表1中可以看出，随着洪水资料系列长度的增加，Cv值与均值渐趋稳定，当系列长达20年以上，均值相对误差为0.0%～4.53%之间，Cv值相对误差为0.0%～-6.5%之间，系列已具有较好的代表性。相应的依干其渡口站有39年（1972～2010年）实测洪峰系列，也具有较好的代表性。

综合上述分析，卡群站洪峰流量系列较长，且具有一定的代表性，将之作为参证站设计洪水依据，以及用之反映玛纳斯河洪峰流量年际变化的一般规律，是较可靠的[4]。

表1 卡群站不同长度洪峰系列统计参数对照表单位：m3/s

3 洪峰沿程变化分析

卡群水文站以上是玛纳斯河的主要产洪区，与上游库鲁克栏干站相距102 km，集水面积相差17320 km2，区间有塔什库尔干河和其他五条小支流汇入，由于一次天气过程引发的融雪洪水或暴雨洪水往往是全流域性的，因此，卡群站洪峰流量由于集水面积的增加大于上游库鲁克栏干站的洪峰流量，两站属于融雪或暴雨洪水类型的年最大洪峰系列相关见图5。而当玛纳斯河发生溃坝性洪水时，库鲁克栏干站和卡群站之间集水区域并无较大洪水汇入，受沿程洪水波的坦化作用，卡群站洪峰流量小于上游库鲁克栏干站的洪峰流量，见图6。将溃坝性洪水与其他类型洪水分别进行相关分析，无论从成因和效果都是合理的[5]。

图5 卡群和库鲁克栏干站其他类型洪水最大洪峰流量相关图

图6 库鲁克栏干和卡群站溃坝性型洪峰流量相关图

玛纳斯河各参证站年最大洪峰流量相关分析成果见表2。

4 参证站设计洪水

依照《水利水电工程设计洪水计算规范》，在采用矩法对系列统计参数估算的基础上，采用P-Ⅲ型频率曲线，频率分析计算各参证站不同频率设计洪峰流量。实测洪峰选样采用年最大值法，并采用实测连续序列频率分析和加入玛纳斯河1880年历史洪水以不连续序列频率分析两种方法进行各参证站设计洪峰流量计算。

4.1 实测连续序列频率分析

卡群站1954～2010年、衣干其渡口站1972～2010年还原后年最大洪峰流量连续系列P-Ⅲ型频率曲线见图7，统计参数、适线参数及不同频率设计洪峰流量成果统计见表3。

4.2 加入历史洪水不连续系列频率分析计算

对卡群站1954～2010年、衣干其渡口站1972～2010年还原后年最大洪峰流量连续加入1880年历史洪水峰值，采用不连续系列频率分析计算其设计洪峰。

表2 玛纳斯河各参证站年最大洪峰流量相关分析成果表

表3 各站实测系列洪峰流量统计参数及设计洪水成果

图7 卡群站1954～2010年洪峰流量连续系列频率曲线图

具体计算公式如下：

剔除特大值的连序系列按下式计算经验频率：

上式中：M为特大值排序；N为特大值重现值；L为连序系列中特大值个数；a为特大值个数。

对于不连序系列，各样本矩及统计参数的计算公式为：

表4 各站加入历史洪水洪峰流量统计参数及设计洪水成果

表5 参证站设计洪峰两种方法计算成果比较表

各参证站实测系列洪峰均远小于1880年历史洪水峰值，因此实测系列无特大洪水提出。加入1880年历史洪水峰值后，统计参数、适线参数及不同频率设计洪峰流量成果统计见表4。

比较表3和表4采用连续序列与加入1880年历史洪水后不连续序列计算的各参证站设计洪峰成果。各站不同频率连续系列计算成果较不连续系列偏小1.4%～9.9%，具体见表5。

由表中可见，加入历史洪水后采用不连续系列计算成果更为合理，对水利工程设计更为安全，因此，本次各参证站设计洪峰取不连续系列计算成果，见表4。

5 结语

由于玛纳斯河洪水类型复杂，计算其设计洪水也较困难，本文对玛纳斯河各参证站实测洪峰系列不作插补展延，计算得到衣干其渡口站、历史洪水洪峰流量Q衣1880=5560 m3/s。并针对实测年最大流量样本作代表性分析。分析得到卡群站洪峰流量系列较长，且具有一定的代表性，将之作为参证站设计洪水依据。并结合洪峰沿程变化分析结果，对参证站设计洪水进行了计算，得到了历史洪水洪峰流量统计参数及设计洪水成果表。由于由于玛纳斯河洪水类型复杂，还需采用PMP等设计洪水推求方法计算设计结果，验证本次计算的合理性与可靠性。

[1]郭生练,刘章君,熊立华.设计洪水计算方法研究进展与评价[J].水利学报,2016,(03):302-314.

[2]高鑫磊.泃洳河流域设计洪水研究[D].清华大学,2015.

[3]闫宝伟,郭生练,郭靖,陈璐,刘攀,陈华.基于Copula函数的设计洪水地区组成研究[J].水力发电学报,2010,(06):60-65.

[4]王国安.中国设计洪水研究回顾和最新进展[J].科技导报,2008,(21): 85-89.

[5]周芬.设计洪水估算方法的比较研究[D].武汉大学,2004.

TV85

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1673-9000（2017）04-0076-03

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胡先林（1982-），男，汉族，四川广元人，工学学士，工程师，主要从事水利规划与水文计算工作。