鄯善县吐峪沟大峡谷防洪堤防洪水分析

张卫东

（新疆乌斯满水文站，新疆 库尔勒 841000）

1 概况

位于鄯善县境内火焰山中段的吐峪沟大峡谷，是横跨火焰山的一条平均宽度约1 km的峡谷，面积约为12 km2,峡谷东西两侧附近分布9条间歇性无名洪沟，发生暴雨时引发泥石流洪水严重威胁当地群众生命财产安全。大峡谷属于火焰山以南气候区，日照充足，降水极少，气候异常燥热，是典型的火洲气候。全年平均降雨量仅为16.0 mm，最大降雨量为48.4 mm（1958年），多年平均年总蒸发量为2646.8 mm。为了规划堤防建设要求，需对洪水成因、产汇流以及工程处设计洪峰进行分析计算。

2 洪水成因与特性

2.1 洪水成因

吐峪沟大峡谷洪水属突发性暴雨洪水，主要由大尺度天气系统过境造成，加之前期连续高温后，受南支气流低槽影响，南支气流充沛的水汽和冷空气配合，随冷空气沿西北山区携带大量水汽入境，由于锋面活跃，低温系统较厚，气流移动速度缓慢，因此，在火焰山一带造成一定范围的暴雨，随之形成洪水。

2.2 洪水特性

吐峪沟大峡谷附近洪沟为间歇性干沟，山区极度干燥，在出现持续性降水和较大雨强的局地暴雨时，流域形成超渗产流，从而发生暴雨泥石流洪水。此类洪水多发生在6~8月份之间，由于山区基本无植物，山体为泥质细土，地面组织物质疏松，加之坡度较大，遭小暴雨时易形成泥石流，洪水破坏性极大。

3 历史洪水调查

通过调查了解，吐峪沟大峡谷两侧分布数条洪沟，从北向南依次分别命名为 1、2、3、4、5、6、7、8、9 号洪沟，洪沟面积为10.6 km2，最高海拔高程为795 m。由于该沟位于火焰山中低山内，河床由砂砾石和粘土组成，该沟遇到持续性降水或较大雨强的局地暴雨时（5 mm以下），会形成暴雨泥石流洪水，流入吐峪沟乡各乡村。吐峪沟大峡谷西北部火焰山山脉分布4条洪沟一般无水流，没有任何水文观测记录，经洪水调查访问知，1973~2016年为止，发生了三场较大洪水，即1973年、2014年、2016年，其中1973年洪水最大，2014年洪水为二，2016年排三。本次吐峪沟引水渠调查断面离1号洪沟出山口1.73 km，离4号洪沟出山口仅0.83 km，中间无汇入和流出，因此，采用吐峪沟引水渠7月24日调查洪峰流量洪峰模数5.05 m3/s·km2分别估算出1、2、3、4、5号洪沟的7月24日发生洪峰流量。洪沟1、2、3、4、5 集水面积分别 为 0.16 km2、0.22 km2、0.23 km2、0.81 km2、0.67 km2，其估算洪峰流量为计算成果分别为27.3 m3/s、0.81 m3/s、1.11 m3/s、1.16 m3/s、4.09 m3/s。

本次洪水调查大峡谷9号洪沟2016年洪峰流量为15.7 m3/s，同样原理，用9号洪沟2016年调查流量峰模数来估算大峡谷西侧 6、7、8、9号洪沟2016年洪峰流量分别为3.38 m3/s、7.83 m3/s、14.0 m3/s、9.96 m3/s。

4 设计洪水分析计算

4.1 吐峪沟大峡谷洪水计算思路确定

吐峪沟大峡谷洪水从9条峪沟冲出，分别流入到项目区各防洪段，因此，首先计算各洪沟的设计成果后再计算各防洪段设计成果。防洪堤防分布在大峡谷东西两侧分5段，为了方便计算，分别命名为 A、B、C、D、E 防洪段。为了防洪设计安全，1、2号洪沟设计洪水成果合计作为A防洪段设计成果。2、3号洪沟设计洪水成果合计作为B防洪段设计成果。4号洪沟设计成果作为B防洪段设计成果。西边4号至9号洪沟来洪水时都影响到D防洪段不同段,所以把D防洪段分成3段（即D节点1、节点2和节点3），作为D防洪段的设计成果。引水渠调查断面设计成果加D防洪段节点2和7号洪沟设计成果叠加作为E防洪段设计成果。

4.2 参证站的确定及设计洪水计算

吐峪沟防洪坝工程项目区附近有煤窑沟基本水文站和二塘沟专用站及高昌区气象站，本次设计洪水计算采用煤窑沟和二塘沟及高昌区气象站作为参证站。由于煤窑沟水文站1969年洪水过程峰高量不大，年最大1日洪量虽然排位第一，但接近2005年1日洪量；而3日洪量比2005年相应值小，41年洪水系列中，2005年年最大3日洪量排位第一。因此，本次计算以（1976～2015年）40年连续系列进行各时段设计洪量计算。煤窑沟站年最大洪峰按41年不连续系列公式计算，计算结果见表1。根据新疆水文专业委员会评审通过的“鄯善县二塘沟色尔克甫水库工程水文分析计算”报告，采用两场调查洪水计算成果之算数平均值，作为二塘沟专用水文站设计洪水依据，见表1。

表1 煤窑沟水文站、二塘沟专用站设计洪峰流量成果表

4.3 大峡谷东西两侧各洪沟设计洪水计算

4.3.1 洪峰模数法

由于吐峪沟设计流域集水面积远小于参证流域，面积相差较显著，因此用面积比指数进行修正。煤窑沟、二塘沟站作为参证站时n值取0.67（2/3）（n值为新疆地区经验系数），各洪沟设计洪水计算成果见表2。

4.3.2 推理公式法

根据吐鲁番降水量等值线图，吐峪沟乡降水量在于25 mm至50 mm之间。为了设计安全考虑，用煤窑沟站1978~2014年实测最大1日和24小时点降水量系列进行频率计算，得出多年平均最大1日和最大24小时降雨量、Cv、Cs及各频率设计值。从1：50000地形图上量算工程场址汇水区几何参数：以西洪沟总面积为10.6 km2，以东洪沟总面积为99.0 km2。吐峪沟大峡谷东西两侧洪沟下垫面类型基本相似，即属于3类。暴雨衰减指数n选用0.64。土壤损失系数R和土壤损失指数r分别选用0.90和0.62。根据《水利水电工程设计洪水计算规范》及《水利水电设计洪水计算手册》等参考技术数据，结合该流域的下垫面条件情况，分别选用不同参数，计算得出各频率设计洪水成果见表2。

4.3.3 洪峰流量模比系数综合频率线法

选取处于同一气候区内具有较长实测洪水系列的水文站作为参证站，根据参证站实测年最大洪峰流量及历史调查的洪水资料，采用“洪峰流量模比系数综合频率曲线法”，推求调查断面设计洪峰流量。根据吐峪沟气候区内具有较长实测洪水系列的各水文站的历史调查洪水和实测洪峰系列样本，其中：阿拉沟站为1957~2014年连续系列，无特大值处理；煤窑沟站为1976~2014年、加1969年（做特大值处理）共39年洪水系列（重现期60年）；二塘沟洪水系列有历史洪水、1939年调查洪水1992~2012年，历史洪水和1939年洪水做特大值历史调查洪水647 m3/s（重现期77年）；1939年洪水355 m3/s（重现期38年）；白杨河（峡口）洪水系列为1979~2013年，1996年（638 m3/s）做特大值处理，重现期为63年；由此绘制地区洪峰流量模比系数综合频率曲线，其统计参数Cv=1.25，Cs/Cv=3.0。本次采用大峡谷东西两侧2016年洪水调查值，重现期15年相应的模比系数2.873，求得各洪沟的设计洪峰流量，见表2。

4.4 各洪沟设计成果分析论证

经以上几种方法分析论证、相互对照分析认为：几种方法都有理论或者经验基础，但是，由于其他条件限制，其结果各不相同。从工程安全角度考虑，建议采用二塘沟专用站作为参证站洪峰模数法计算成果作为各洪沟设计洪水成果，各洪沟设计成果见表2。

4.5 各防洪段设计洪峰流量计算

为了防洪工程设计安全，根据地理位置和洪水影响，依据表2各洪沟不同频率下的设计洪水计算情况，可确定A、B、C、D、E段堤防处不同频率下的设计洪水成果见表3。

表3 吐峪沟各防洪工程设计洪峰流量成果表

4.6 成果合理性分析

根据吐峪沟大峡谷各洪沟基本情况及防洪段分布、洪水影响范围，采用推理公式法、洪峰模数法、洪峰流量模比系数地区综合法计算出各防洪堤防的设计成果。

（1）本次设计对2016年7月24日发生的洪水进行了访问调查并计算，根据场次洪水洪峰模数估算出各洪沟的调查洪峰流量，洪水调查断面洪水痕迹比较清楚，而且最近发生的洪水，访问人亲眼所见，洪水痕迹也清楚，因此，场次洪峰流量是可靠。

（2）由于项目区无任何洪水或者暴雨资料，用几种方法分析论证了各洪沟设计成果，参证站选择长系列基本站煤窑沟和二塘沟专用站，考虑设计安全最终推荐采用二塘沟作为参证站洪峰、洪量模数法计算各洪沟的设计成果。设计成果与调查2016年7月24日引水渠、9号、8号沟调查断面洪峰流量对比分析，该调查断面15年一遇设计均大于调查洪峰流量，认为成果可靠切合实际。

（3）根据各防洪段和洪沟分布情况，在无任何资料的条件下，考虑设计安全，最终计算出各防洪坝设计成果，其设计成果较可靠合理。用煤窑沟站典型洪水过程线以同频率放大法计算项目区各防洪工程断面的设计洪水过程线是合理的。

5 结语

吐峪沟大峡谷各洪沟属间歇性无名山洪沟，洪水突发性强，严重威胁当地居民的生产、生活安全。根据当地防洪需要，规划了5处防洪堤防。针对当地无监测水文资料的实际和防洪需求，在分析洪水的基础上，采取三种方法计算工程处各洪沟最大洪峰。经过比较，最后确定以二塘沟专用站作为参证站，利用洪峰模数法计算的成果作为各洪沟设计洪水成果。并根据洪水产汇流情况，确定出各防洪堤防处不同防遇标准的洪水量级，为工程设计建设提供参考。