托克逊县新干沟防洪工程洪水分析与河道演变

魏 娟

托克逊县总面积17342 km2，为典型的温带大陆性干旱气候，新干沟位于托克逊县西南，为该县三大洪水来源之一。出山口（断面1）以上集水面积为272.5 km2，河长27.4 km，一般无水流。由于该区域植被发育差，山体裸露，遇到较大降雨则易诱发山洪。洪水出沟口后，呈多股漫流状态，一部分洪水流入县城城东区，一部分则流入戈壁滩。为了确保县城东及工业园区的安全，规划在新干沟修建防洪工程，需对新干沟防洪工程设计洪水和河势演变进行分析。

1 洪水特性与调查

1.1 洪水成因

新干沟暴雨成因主要是由天山及阿拉沟山西段空中水汽在南移到干沟区域过程中，由于暖湿空气遇到地形抬升而形成。干沟区域暴雨主要集中在6～8月间，时空分布极不均匀，其特点是历时较短，阵性强，笼罩面积小，暴雨量不大。当流域内出现持续性降水或较大雨强的局地暴雨时，区域会形成超渗产流而发生暴雨洪水，威胁城区安全。

1.2 洪水特性

新干沟的洪水沟位于托克逊县西南方向，觉罗塔格山北坡的河流冲积平原上，由多条较小冲沟组成，呈叶状分布，河床不明显，山前出山口与工程场址之间为荒漠戈壁区。

新干沟内无任何植被，属间歇性洪沟。洪水多发生在6～8月份之间.由于流域坡面陡，洪水汇流时间及洪水过程历时短、陡涨陡落、峰高量小，且具有突发性强、来势迅猛、破坏性极强等特性，洪水过程线呈明显的尖瘦峰型。

1.3 洪水调查

新干沟没有任何水文观测记录，仅有2002年6月8日干沟发生的特大洪水调查，洪峰流量为111 m3/s。从本流域自然地理特征、气候因素、洪水成因等方面分析，流域产生洪水的成因主要为暴雨所致。从气象资料分析，新干沟2002年产生最大洪峰时，当日降水为有气象资料以来的最大值，而干沟流域出山口与气象观测站之间的距离仅为19.6 km。因此，干沟发生洪水的重现期与最大一日降水量重现期在理论上是同步的。由此推算出，新干沟2002年产生最大洪峰（111 m3/s）的重现期为55年一遇。

2 新干沟防洪工程设计洪水计算

2.1 参证站选定

新干沟属无资料地区，现以相邻的阿拉沟出山口阿拉沟站为参证站，阿拉沟站从1957年开始观测降水量，本次收集到1957～2011年降水量月年统计资料及1957～2011年水文资料。本次采用小流域暴雨洪水推理公式、调蓄经验单位线法和地区综合频率曲线法对新干沟进行设计洪水计算。

2.2 推理公式法

从托克逊县气象站30年观测暴雨资料统计可知：2002年6月7日夜至8日晨，新干沟流域产生暴雨并引发少见的大洪水，同一时间托克逊县气象站观测到：一次降水量为14.2 mm，日降雨为16.9 mm，月降水量为21.0 mm，均属有观测记录以来的排位第一。2002年6月7日夜至8日晨，阿拉沟水文站观测到的一次降水量为3.4 mm，同日阿拉沟水文站产生的相应最大洪峰流量为23.2 m3/s。本次分别采用托克逊县气象站1981～2010年最大日降水量资料和阿拉沟站1957～2011年最大日降水量进行频率计算，年最大日降水量频率计算成果见表1。

表1 各站年最大日降水量频率计算成果表

参考《设计洪水计算常用方法教材》中吐哈地区段点雨量折算为面雨量的折算系数为1.263。采用托克逊县气象站和阿拉沟站最大一日暴雨设计值，用推理公式法推算新干沟相应频率P=1%、2%、5%、10%的设计洪峰流量，其成果见表2。

2.3 调蓄单位经验线法

以托克逊县气象站作为干沟区域参证站计算点、面雨量，从暴雨图集查到托克逊县概化雨型及逐时分配百分比，乘以设计面雨量即得逐时设计面雨量过程。据《新疆中小流域设计暴雨洪水图集》中编制的综合产流参数，用不同频率的产流经试算求得产流历时，平均损失率及产流期平均净雨强度，再用平均净雨强度与集水面积在汇流参数图上查得用时，用调蓄经验单位线法进行产汇流计算。新干沟调蓄经验单位线法计算成果见表2。

2.4 洪峰流量模比系数地区综合频率曲线法

本次采用洪水调查成果，计算新干沟的设计洪峰流量。新干沟2002年洪峰流量111 m3/s的重现期确定为55年。根据55年相应的模比系数4.6255，采用阿拉沟、煤窑沟、二塘沟、柯柯亚等水文站历史调查洪水和实测洪峰流量样本，编制地区洪峰流量模比系数综合频率曲线（见图1），据此求得KP值及新干沟不同设计频率设计洪峰流量，详见表2。

图1 吐鲁番地区洪峰流量模比系数综合频率曲线图

2.5 成果合理性分析

推理公式法是《水利水电工程设计洪水计算规范》中推荐的在较小流域面积内、有实测暴雨资料或邻近地区有可借用的实测雨资料者可以选用的方法之一。本次选用的阿拉沟站和托克逊气象站最大一日降水量，并用《新疆可能最大暴雨图集》资料校对，具有较好的代表性，在选用暴雨衰减、土壤损失等参数时，参考了设计洪水计算常用教材中提供的试验数据。通过对比发现，利用推理公式法采用不同的参证站所推求设计洪峰流量值相差较大，考虑到新干沟的高程高于托克逊县气象站，建议采用阿拉沟站的暴雨设计洪峰流量比较合理。

《新疆中小流域设计暴雨洪水图集》出版于1983年，所采用资料年限较短，不符合现在的实际情况，加之本次计算的洪峰流量偏小，故调蓄经验单位线法不建议采用。

洪峰流量模比系数地区综合频率曲线法选用的水文气象资料系列长、历史洪水调查成果可靠，简便易行、适用于无资料流域的洪峰流量计算。本次计算，采用推理公式法计算的不同保证率的设计洪峰成果与洪峰流量模比系数地区综合频率曲线推求的设计洪峰流量成果误差均在20%以内。另外，通过调查访问，确定55年一遇的2002最大洪峰调查值已为当地水利专家认同，本次复核后亦无较大异议，而且又与地区综合频率曲线法推求的55年一遇的设计值相吻合。因此，从安全考虑，建议采用地区综合频率曲线法计算成果作为新干沟设计洪峰流量设计成果。三种方法计算成果对比见表2。

表2 新干沟（出山口）设计洪峰流量成果对比表

2.6 拟建防洪工程处的洪水计算

拟建防洪工程在洪水调查断面（二）下游0.16 km处，则断面二设计洪水即为工程处设计洪水。本次计算防洪工程处的设计洪水，用洪水调查断面（二）作为计算节点，具体计算思路如下：

（1）洪水调查断面（一）到洪水调查断面（二）之间的洪水衰减损失率计算

通过洪水调查资料得出2002年大洪水从断面（一）到断面（二）洪峰流量由111 m3/s减至 54.4 m3/s，断面（一）到断面（二）之间的距离为6.2 km，区间无任何汇入和流出，由衰减公式计算出洪水调查断面（二）的洪水损失率为8.22%。

（2）洪水调查断面（二）处的设计洪峰流量的计算

根据洪水衰减损失率计算成果，洪水调查断面（二）处每公里洪水损失率为8.22%，利用洪水调查断面（一）（出山口）处的设计洪峰流量和衰减损失率、设计断面距上游站距离可以计算出断面（二）处的设计洪峰流量。设计断面洪峰流量计算公式如下：

式中：Qgp为设计断面设计洪峰流量（m3/s）；Qsp为上游调查断面设计洪峰流量（m3/s）；KP为洪峰流量沿程每公里相对衰减损失率；LSg为设计断面距上游站距离（km）。

计算结果见表3。

表3 防洪坝起始坝址处（洪水调查断面二）设计洪峰流量成果表

3 新干沟防泄河段河床及河势分析

3.1 泥沙

新干沟洪水影响区防洪工程泥沙来源的主要因素是气候因素中的降水及流域下垫面因素，如土壤、植被等。根据阿拉沟站的实测悬移质泥沙资料统计：多年平均含沙量1.33 kg/m3，输沙率5.59kg/s，输沙模数为108 t/km2。多年平均悬移质输沙量为20.1×104t，历年最大日平均输沙率为7100kg/s（1998年8月12日）。

新干沟防洪坝起始坝址处在平原区，其集水面积为290.5 km2，借用的阿拉沟站多年平均年悬移质输沙模数为108 t/km2，则新干沟防洪坝起始坝址处多年平均悬移质输沙量计算值为 3.14×104t。对于山区河流，β=0.15～0.30之间，结合本流域实际情况，采用0.30计算，新干沟防洪坝起始坝址处多年平均推移质输沙量计算值为0.94×104t。新干沟防洪起始坝址处多年平均总输沙量计算值为4.08×104t。由于影响新干沟泥沙来源的主要因素除暴雨因素外，其流域下垫面因素（如土壤、植被）等与参证河流—阿拉沟河差异很大。设计流域属极干旱地区，山体切割破碎，地表裸露，土壤松散，河道纵坡较大，当山区发生大降水引发洪水时，松散的土壤很容易被地面径流侵蚀带入河槽，增加水流中挟带的泥沙。而参证站流域相对于设计流域，其流域自然地理条件及下垫面情况远远优于设计流域，由此推论，设计流域的多年平均年输沙模数应大于参证流域。因此，为了安全考虑，建议在现有设计流域多年平均总输沙量计算值的基础上加大20%，作为设计使用。

3.2 河势分析

新干沟出山口以上河道两边山势较高，河道比降为0.072，河床质为粗沙砾，有少许植被。出山口以下河道较宽，河道两边山势较低，河道比降为0.024，河床质由沙砾转变成细沙、粉土，基本无植被。新干沟拟修防洪坝工程坝址上游1 km处河段较顺直，河道宽浅，河床内有大量泥沙存在，河床主要由细沙、粉土及沙砾组成，河势稳定。

4 结语

新干沟洪水灾害性强，因此，建设托克逊县新干沟防洪工程势在必行。经过野外调查和洪水调查，并采用无资料区域计算设计洪水等多种方法，对新干沟的设计洪水进行了反复计算和论证，新干沟河势稳定，防洪工程处百年一遇洪水为65.7 m3/s，五十年一遇洪水为53 m3/s，二十年一遇洪水为37.5 m3/s，可供托克逊县防洪设计、城市建设等参考使用。