雅尔乃孜水库设计洪水分析

肖 雄

（新疆维吾尔自治区吐鲁番水文勘测局,新疆 吐鲁番 838000）

0 引言

雅尔乃孜水库位于吐鲁番市雅尔乃孜沟沟口上游0.8km处，1977 年11 月兴建，设计库容463×104m3，复核库容为397×104m3，可灌溉田地3.6 万亩。1983 年11 月完工，冬季开始蓄水，不久东坝肩出现漏水，1984 年2 月14 日在东坝肩处溃决，决口底宽约60 m，最大溃坝流量约200 m3/s，从大坝开始决口到水库全部放空历时仅4 h，坝段上游大部分产生了滑坡，滑坡坝段长约200 m。经专家评定为三类坝，水库大坝存在坝基渗漏与坝间渗漏，属病险水库。为了除险加固，需对水库洪水进行分析。

1 概况

雅尔乃孜沟是吐鲁番盆地内盐山的一个缺口，是塔尔朗河尾沟，也是塔尔朗河洪水流向艾丁湖的唯一通道。塔尔朗河为雅尔乃孜水库上游唯一水系，海拔高度为1145 m，冰川面积为5.68 km2，河道坡度54.6%，河长为50 km。塔尔朗河与雅尔乃孜沟区间积水面积为124 km2，区间不产流且无洪沟汇入。塔尔朗河流出山口后通过山前冲击、洪积扇区，穿越兰新铁路后形成漫滩在312 国道下约2 km处水流集中冲刷成槽，进入雅尔乃孜沟。沟内交河古城周边有两条泉水沟，即马哈沟和阿斯喀瓦克沟，其中马哈沟泉水从交河古城城东流下，阿斯喀瓦克泉水从城西流下，两股泉水在古城南端汇合，流向雅尔乃孜沟。

塔尔朗河1998 年5 月设有塔尔朗专用水文站，具有1998 年～2003 年实测资料,监测项目有水位、流量，其中1998 年和2003 年监测资料不全，其多年平均径流量为0.7871×108m3。河流约70%以上的水量经塔尔朗引水渠首引向下游工、农业及居民相对较集中的灌区，而不足30%的水量为夏季洪水和冬闲水，随渠道进入干旱的砾质平原区后，分散为多条支岔渗入地下，潜行14 km后在312 国道以南逐渐出露，汇集于距国道下游6 km处的雅尔乃孜（又名羊奶子沟）内的拦沟水库～雅尔乃孜水库，通过天然河道流入雅尔乃孜水库或者渗漏于河道当中消耗殆尽。塔尔朗专用水文站，地处天山南坡塔尔朗河出山口，即吐鲁番市桃儿沟村，集水面积467 km2，与建于1955 年11 月设立的的煤窑沟长系列水文站相邻，集水面积481 km2，煤窑沟河与塔尔朗河同处于同一气候区，出山口平行相距25 km，下垫面要素相似，同受大尺度天气影响，径流形成条件大致相同。

2 暴雨特性及历史洪水分析

2.1 暴雨特性

塔尔朗河属天山南坡山溪性河流，洪水多为暴雨所致，且多以局地性暴雨引发洪水为主。洪水具有突发性，短历时，陡涨陡落等特点。流域暴雨有以下特点：①暴雨主要发生在汛期（6月～8月），占全年降水总量的80%左右。由山区向平原急剧递减；②局地性暴雨历时短（一般暴雨历时不超过6 小时），阵性强，笼罩面积小，暴雨中心集中在高山区；③暴雨致灾性强。每次暴雨均给当地带来巨大灾害。

2.2 历史洪水调查及考证期确定

塔尔朗河缺乏历史洪水调查资料，1988 年10 月对1987 年7 月的洪水进行了调查，调查洪峰流量为325 m3/s。2005 年8 月发生的洪水，经调查洪峰流量为313 m3/s。洪水调查河段在水管站下游（E89°04′27″～N43°12′37″）。从洪水调查访问记录和洪水调查资料分析，可以确定塔尔朗河流近20 年之内发生的最大洪峰流量为1987 年，洪水排位第一，再次是2005 年排位第二，实测资料显示2000 年发生最大洪峰流量为286 m3/s排位第三。

从调查洪水排序分析，经考证1987 年最大洪峰流量为325 m3/s，为1987 年至今最大洪水，之前也有可能有大于1987 年的洪水，但目前还没有找到可靠的依据，因此1987 年洪水洪水调查重现期为22 年。

3 洪水分析

3.1 水文资料

塔尔朗河设有塔尔朗专用水文站，监测项目有水位、流量，共有6 年（1998 年5 月23 日-2003 年12 月）的实测资料（汛期站），汛期水位和流量均正常观测，基本控制了洪水过程，全年测次不少于35 次，随水位变化而增加测次，最多测次达70 次。流量分别在河道和渠道观测整编后合并计算，其计算、整编方法符合规范要求。

该站除了有6 年实测洪水系列外，还有1987 年、2005 年洪水调查和2007 年水管站实测资料，共有9 年洪水资料；与塔尔朗河相邻的煤窑沟水文站具有完整的47 年（1957年～1971 年，1976 年～2007 年）实测洪水系列；另有1987 年、2000 年、2005 年水管站和水文局实测或调查的上下游场次洪水资料。

3.2 参证站代表性分析

塔尔朗专用水文站只有1998年～2003年、2007年实测洪水系列和1987年、2005年洪水调查资料，资料比较短，无法按实测资料来计算洪水，为此选取周边长系列的煤窑沟水文站作为参证站，做代表性分析，依据长系列站的资料对本站系列插补延长。

（1）洪峰、洪量长短系列统计参数对比分析

将煤窑沟站1976年～2007年洪峰、3 日洪量系列资料，按不同系列长度进行均值和统计参数分段计算，当系列长度在30 年以上时，洪峰流量、洪量均值、CV值较稳定，说明样本系列代表性好。

（2）洪峰、洪量模比系数差积曲线分析

煤窑沟站洪峰、洪量模比系数差积曲线形态相似，现以3日洪量模比系数差积曲线做分析。绘制煤窑沟站3 日洪量模比系数差积曲线图1，从图1 可知，煤窑沟站洪量系列有较完整的增减过程，洪量明显出现几次过程，自1976 年～1986 年为小洪水过程；1987 年～1990 年平缓过程；1991 年～1998 年明显的大洪水过程；1999 年～2004 年平缓过程；2005 年～2007 年为明显的递增过程；32 年资料包含了大、中、小洪水年份。

图1 煤窑沟站3日洪量模比系数差积曲线图

（3）洪峰、洪量模比系数累积平均曲线分析

煤窑沟站洪峰流量系列与1日、3日、7日洪量系列模比系数累计平均过程线形态非常相似，仅以洪峰系列模比系数累计平均过程线为例加以分析。图2 为煤窑沟站洪峰流量模比系数累计平均曲线图，从图2 可知，近三年2007年～2005 年出现陡涨陡落现象，以2005年开始逆时序，比较平缓和稳定递减趋势，当系列长度30 年时，洪峰流量模比系数趋近于1.0，渐趋稳定。

图2 煤窑沟站洪峰流量模比系数累积平均曲线图

由以上煤窑沟站洪峰流量及3 日洪量代表性分析可知，当样本系列长度达30 年以上时，具有代表性。

3.3 塔尔朗水文站设计洪峰流量计算

由于塔尔朗水文站资料系列较短，因此采用以下三种方法进行分析比较计算洪水。

3.3.1 相关法

经过和相关洪水同步性分析，塔尔朗站与煤窑沟站洪峰流量相关尚好，其系数为R=0.7627。用参证站洪峰流量系列将塔尔朗站缺测年份洪峰流量插补展延到2006 年，用实测和插补展延后共21 年洪峰流量系列进行频率计算。

图3 塔尔朗与煤窑沟站洪峰流量相关图

图4 塔尔朗水文站洪峰流量插补展延频率曲线图

3.3.2 洪峰流量模比系数地区综合频率曲线法

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“地区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。

式中：QP为设计洪峰流量，m3/s；Qd为调查历史洪水洪峰流量；KP为设计洪峰流量模比系数； Kd为调查洪峰流量模比系数。

采用本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。

阿拉沟、煤窑沟、二塘沟、白杨河站实测洪水系列点绘在一起，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。

采用洪水调查成果1987 年，重现期定为22 年，其相应的模比系数为3.577。据此求得KP值及塔尔朗水文站不同设计频率设计洪峰流量。

3.3.3 水文比拟法

与年径流量所采用的水文比拟法一样，直接移用煤窑沟站洪峰流量统计参数，CV=1.2，CS/CV=2.5，多年平均流量均值用水文比拟法计算而得，其计算公式：

图5 吐鲁番市洪峰流量模比系数综合频率曲线图

式中：Q塔为塔尔朗站年平均洪峰流量；Q煤为煤窑沟站年平均洪峰流量，97.4 m3/s；F塔、F煤为塔尔朗和煤窑沟站集水面积，分别为467 km2、481 km2。

经计算，塔尔朗站多年平均洪峰流量为94.6 m3/s。用同样的方法可推算出塔尔朗站各保证率的设计洪峰流量值，其结果见表1。

表1 塔尔朗水文站洪峰流量设计成果表

3.3.4 方法分析论证

从上述三种方法分析来看，综合频率曲线法与水文比拟法结果比较相近。相关法采用9 年洪峰流量系列，煤窑沟站作为参证站，插补延长到21 年，即1987 年～2007 年展延11 年，展延年限超出规范要求；综合频率曲线法将同一水文分区内气候、地形条件基本相似的测站实测样本作综合分析，编制地区洪峰流量模比系数综合频率曲线，推求设计洪峰流量；由此可降低成果的抽样误差；水文比拟法经分析参证站与塔尔朗河相邻较近，下垫面因素相似，洪水相关和洪水同步性较好，因此采用煤窑沟站作为参证站，来推求塔尔朗洪水参数，其结果比较符合实际。经安全考虑，最终采用洪峰流量模比系数综合频率曲线计算成果。

表2 塔尔朗水文站洪峰流量及各时段洪量设计值成果表

3.4 塔尔朗水文站洪量计算

塔尔朗水文站各时段洪量资料短缺，只有1998年～2003年6年各时段洪量资料，同样采用相关法、地区综合频率曲线法和水文比拟法分析计算，比较后，偏于安全，推荐采用综合频率曲线法计算结果，计算过程从略，结果见表2。

表3 塔尔朗上下游河段洪水衰减率计算表

3.5 雅尔乃孜水库入库设计洪水计算

雅尔乃孜水库入库设计洪水为上游塔尔朗水文站设计洪水流经30.8 km，减去区间衰减最后剩余入库的洪水。塔尔朗河流域缺乏洪水衰减试验资料。经上下游洪水断面洪峰流量调查成果（见表3），可计算出每千米平均衰减率在1.1%～1.8%之间，本次用每千米平均衰减率为1.5%来计算雅尔乃孜水库设计洪水成果。

表4 雅尔乃孜水库洪峰流量及各时段洪量设计成果表

4 结语

为了确保雅尔乃孜水库除险加固工作顺利进行，分析塔尔朗河洪水特性、沿程变化及入库途径，以煤窑沟水文站为参证站，采用水文比拟法、综合频率曲线法、相关法计算塔尔朗水文站设计洪水和洪量成果，经比较，采用综合频率曲线法计算成果偏于安全。塔尔朗水文站至雅尔乃孜水库30.8 km洪水沿途衰减规律，用每千米平均衰减率1.5%计算成果作为雅尔乃孜水库设计洪水成果，其方法符合规范要求，其成果合理，可供水库除险加固进行参考。