乌什县托什干河段防洪堤设计洪水位风险分析

卢 禄

（阿克苏地区水利水电勘测设计院有限公司，新疆 阿克苏 843000）

1 托什干河段水位变化趋势

根据1920 年～2004 年（1935～1946 年缺测）托什干河沙里桂兰克水文站年最高潮水位统计数据，水位超10.00 m 洪水共出现15 次，其中1920 年～1944 年1 次，1945 年～1981 年3 次，1982 年～2004 年11 次；水位超10.50 m 洪水共出现8 次，其中1945 年～1981 年1 次，1982 年～2004 年7 次。大洪水频率越来越高，不同时段水位超限次数见表1。

表1 沙里桂兰克水文站最高潮水位超限次数统计

对托什干河沙里桂兰克水文站最高水位序列求其15 年移动平均值，结合计算结果描绘H15～t 过程曲线[1]，详见图1。根据曲线变动趋势来看，前期波动较为平稳，从上世纪六十年代末七十年代初开始水位上升幅度增大。

图1 沙里桂兰克水文站最高水位序列15 年移动平均曲线

结合托什干河水位上升趋势，按照1920 年～1950 年、1920年～2004 年、1950 年～2004 年及1980 年～2004 年四个时段分析最高水位频率，结果详见表2。

表2 沙里桂兰克水文站各时段年最高水位频率结果

上表显示，各时段内年最高水位均值依次升高，相同风险度所对应的洪水位也不断增大，其中1920 年～1950 年资料中1950 年洪水重现期为250 a，选定该水位为托什干河段防洪设计水位安全系数，然而1980 年～2004 年资料显示该水位重现期为35 年一遇，如果继续以其作为托什干河段防洪设计水位，显然不够合理。

托什干河流域1950 年发生罕见的特大洪水，汛期的降水量、持续时间和影响范围都出现新高，流域沙里桂兰克水文站首次出现10.20 m 最高水位。自1950 年以来，沙里桂兰克水文站水位超9.50 m 的情况出现过四次，分别是1962 年的9.89 m、1970 年的9.68 m、1995 年的9.67 m和1998 年的9.98 m，这些年份沙里桂兰克水文站最大洪水流量分别为76200 m3/s、68300 m3/s、76600 m3/s 和74300 m3/s，占1950 年特大洪水最大流量96400 m3/s的79%、71%、79%和77%。根据1962 年、1970 年、1995 年以及1998 年四次洪水水位情况，如果1950 年特大洪水雨情重现，则托什干河流域沙里桂兰克水文站水位将突破10.20 m，所以必须对托什干河段防洪风险重新进行分析，确定设计洪水位。

2 托什干河段年水位升高原因分析

托什干河段受潮汐作用影响较为明显，河段洪水水位变化是由自上游向下游传递的洪水波以及反向传播的潮波所共同作用的结果，影响托什干河段沙里桂兰克水文站水位的因素主要有上游来水量、区间来水量、下游潮水位、流域水流特性[2]等。所以分析引发托什干河段水位上升的主要因素包括：上游来水量增加、区间来水量增大、水流特性改变、下游潮位调整等。

2.1 上游来水量增加

选取托什干河段入口断面喀拉布拉克水文站1925 年～1995 年（其中1938 年～1949 年缺测）最大流量系列进行托什干河段上游来水量变化分析，显著性检验及频率分析以1970 年为分界点，喀拉布拉克水文站位于沙里桂兰克站上游约20 km 处。托什干河段上游来水量系列检验结果（α=20%）详见表3 和表4。

表3 托什干河段上游来水量系列检验结果（α=20%）

表4 喀拉布拉克站年最大流量系列频率及结果

根据表3 检验结果，由于t＞tx/2，f＞fx/2，均值与方差检验都未通过。

根据表4 计算结果，近年来，喀拉布拉克站年最大流量均值及同频率（P=1%，2%和5%）所对应的设计流量呈不断增大态势，而且两个样本之间存在明显差异，无法对应同一总体。且洪水期托什干河段上游来水量增加趋势明显，引起河段年最高水位持续上升。

2.2 区间来水量增大

喀拉布拉克站以上流域面积占托什干河段流域面积的95.7%，区间面积占比仅2%左右，虽然通常情况下区间来水对托什干河段水位并无太大影响，但当区间来水增大且正好与流域融雪洪峰相遇叠加时，将对托什干河段洪水位产生不可低估的影响[3]。为量化区间来水量增大对托什干河段水位提升影响，必须分析区间来水增大与流域融雪洪峰相遇叠加的概率以及区间来水量的变动程度，然而由于托什干河段区间来水资料较为缺乏，故本次研究对区间来水量对水位的影响不做分析。

2.3 水流特性的变动

选取1950 年～1955 年以及1984 年～1988 年喀拉布拉克站高水位期各月最大流量以及沙里桂兰克水文站对应月份的最高水位，进行线性回归并绘制水位～流量曲线（图2），图2表明，上世纪50 年代和80 年代喀拉布拉克水文站流量与沙里桂兰克水文站水位关系密切，相关系数分别为0.918 和0.953，两个时段回归方程分别是：

式中：H 为沙里桂兰克水文站水位（m）；Q 为喀拉布拉克水文站流量（万m3/s）。

由图2 可知，50 年代的水位流量曲线明显低于80 年代，随着水位的升高，离差增大，假设上游洪水来水量完全相同，则沙里桂兰克水文站水位明显升高。对同一流量样本绘制不同时期水位～流量关系曲线，进而推求水位样本均值，在频率分别为1%，2%和5%时设计洪水位离差在0.80 m～0.93 m之间，所以，河道水流特性变动是导致托什干河段水位上升的主因。

图2 不同时段沙里桂兰克水位与喀拉布拉克流量关系

3 防洪堤设计洪水位风险分析

3.1 风险概述

托什干河段防洪堤工程可能会出现满溢、滑坡、管涌、风浪淘刷、水流侵蚀等事故类型，且主要取决于工程荷载效应L 和承载能力R。L＜R 时，防洪堤工程处于正常状态；L＞R，表明工程部分或整体失效。由于荷载效应L 和承载能力R 受诸多不确定因素影响，防洪堤工程失效{R＜L}属于随机事件，其风险概率表示如下：

式中：fRL(r,l)为防洪堤工程荷载效应L 和承载能力R 的联合分布密度函数。根据防洪堤设计洪水位风险成因，荷载效应L 和承载能力R 相互独立，所以式（1）可以改写为：

水文和水流风险因素都会增加荷载的随机性。水文风险因素主要指导致河段设计流量和水位等数据发生偏差的因素，而水流风险因素包括导致河段水流和渗流形态演变的风险因素。防洪堤工程事故损失包括经济损失和非经济损失两大类，只有充分掌握事故类型、损失强度、历时和流域范围内的社会经济条件，才能进行投资- 风险- 效益分析。为增强针对性，本文仅在考虑水文与水流风险因素的基础上分析托什干河段洪水位超设计水位Hd 的风险，并确定洪水位H 的概率密度分布fH(h)，防洪堤工程的风险P 简化如下：

导致托什干河段水位上升的因素很多，而且随着人们对流域开发利用广度与深度的增大，水位将会不断升高，为了加强河段防洪堤设计，必须进行不同设计频率所对应设计水位的分析以及水位超限的风险计算。

3.2 风险分析

通过三种方案对托什干河段防洪堤设计洪水位进行风险分析：

方案一：流域河段水文情势的变化具有明显的阶段性，水位在一段时期内相对稳定。通过对托什干河段1970 年以前的水位资料做一致性修正很难反映其水文水流变化趋势现状，而将不一致的样本资料放在一起分析会导致误差增大，所以，在此方案中，直接分析沙里桂兰克水文站1970 年～1994 年最高水位资料频率，求得H=8.80 m，Cv=0.09，Cs=0.11，不同设计频率流域沙里桂兰克水文站设计水位详见表5。

表5 不同设计频率流域沙里桂兰克水文站设计水位

沙里桂兰克水文站1970 年～1994 年最高水位资料能够反映流域河段水位变化现状，但是样本容量太少，且缺乏代表性。

方案二：与方案一最大法取样法不同，方案二采用超定量法取样，选取沙里桂兰克水文站1970 年～1994 年间逐月洪水位大于8.00 m 的年份共50 次展开频率计算，求得H=8.56 m，Cv=0.07，Cs=1.21，将待定的设计值年频率换算成次频率，查频率曲线得出设计值。

年频率Pn 与次频率Pc 之间的转换通过（4）式实现：

不同设计频率流域沙里桂兰克水文站设计水位结果见表5。

方案三：将1970 年前后流域沙里桂兰克水文站年最大流量系列进行置信水平α=20%的检验。结果表明，1970 年前后年最大流量系列差异显著，而当置信水平α=10%时，tx/2=1.762，t=1.385，tx/2＞t；fx/2=1.962，f=1.735，fx/2＞f，均值和方差均通过检验，说明1970 年前后年最大流量系列不存在显著差异，可认为出自同一总体。所以，采用1925 年～1994 年喀拉布拉克水文站最大流量系列进行分析，得出不同设计频率所对应的喀拉布拉克水文站设计流量，并结合80 年代沙里桂兰克水位与喀拉布拉克流量关系（见图2）求得设计频率不同时沙里桂兰克水文站设计水位，结果见表5。

上述三种方案计算结果较为接近，综合考虑社会发展和经济建设步伐的加快，乌什县托什干河段水位升高的趋势仍将继续，为此笔者推荐设计水位较大的方案三。结合20世纪80 年代沙里桂兰克水位与喀拉布拉克流量关系和1925 年～1994 年喀拉布拉克水文站最大流量系列频率计算结果，得出当前条件下乌什县托什干河沙里桂兰克水位超限制的风险程度，见表6。

表6 托什干河沙里桂兰克水文站出现不同水位的风险程度

4 结论

本文在分析托什干河段水位变化趋势以及引起河段水位升高原因的基础上，仅对非工程风险导致托什干河沙里桂兰克水文站最高水位超过设计水位的风险程度加以量化计算，而并未考虑工程风险因素。洪水风险分析是构成防洪堤工程防洪风险分析的基础，不能只考虑上游来水量、区间来水量、下游潮水位、流域水流特性等风险因素，还必须对防洪堤失稳、防洪闸稳定、河床冲刷等风险因素加以研究，才能确保防洪分析的全面性。