托斯呼尔沟水库设计洪水计算分析

张小龙

(新疆博尔塔拉水文勘测局，新疆 博乐 833400)

1 流域概况

温泉县安格里格乡托斯呼尔沟位于博尔塔拉河中下游，是博尔塔拉河南岸的一级支流。流域地处欧亚大陆腹地，东邻乌达克赛河，南连别珍套山没吾斯达坂北坡，西接温泉县城，北至博尔塔拉河中下游段。托斯呼尔沟在出山口以上集水面积126.2 km2，从河源到出山口河长20.8 km，平均坡降59.2‰，最高海拔高程2 500 m。托斯呼尔沟平常径流量小，夏季多暴雨洪水，河流流向大致为自南向北流。

2 设计洪水计算方法及过程评价分析

根据洪水资料条件，托斯呼尔沟水库设计洪峰流量采用以下方法进行计算：(1)可以将温泉水文站、阿合奇水文站两个水文站作为参证站，采用洪峰流量面积指数法计算设计洪峰流量；(2)在选用相邻流域的沙尔托海水文站、精河山口水文站和阿合奇水文站的设计洪水成果的基础上，进行综合分析，采用区域洪峰流量模比系数综合频率曲线法计算设计洪峰流量；(3)推理公式法计算设计洪水；(4)调蓄经验单位线法计算设计洪水并进行综合分析比较，推荐较为合理最终采用的设计洪水成果。各种方法计算过程及结果如下所述。

2.1 面积指数法

根据参证站温泉水文站和阿合奇水文站洪水资料，用面积比指数法来推算托斯呼尔沟水库的设计洪水，托斯呼尔沟水库集水面积为126.2 km2；参证站温泉水文站集水面积为2 206 km2、阿合奇水文站集水面积为938 km2，根据公式(1)即可得到设计断面洪水成果，见表1。

表1 托斯呼尔沟水库设计洪峰和洪量成果表

Q设=Q参×(F设/F参)2/3

(1)

式中：Q设、Q参为设计断面和参证站的设计洪峰流量(m3/s)；F设、F参为设断面和参证站的集水面积(km2)

2.2 区域洪峰、洪量模比系数综合频率曲线法

在采用地区洪峰洪量模比系数综合频率曲线法计算时，参证站选取的是阿合奇水文站、精河山口水文站和沙尔托海水文站，在充分收集各水文站长系列实测资料和历史洪水调查成果的基础上，可采用该方法推求设计断面不同设计频率洪峰洪量。其主要的计算步骤主要有六步：(1)对三个参证站依据洪峰流量系列进行频率计算；(2)在概率格纸上将各参证站的洪峰流量模比系数经验点和不同设计频率的洪峰模比系数分别点绘上去进行配线，这就是地区综合频率曲线法；(3)按照上述两个步骤在配线时取经验点据中值线、均值线和最大值线，就可以最终获得中值法、均值法和最大值法的配线。地区洪峰流量模比系数综合频率曲线见图1和图2；(4)在地区模比系数综合频率曲线上需要采用的调查洪峰流量模比系数Kd；(5)用调查洪峰流量模比系数与设计频率洪峰模比系数的比值乘以调查历史洪水洪峰流量，能得到相应设计频率的洪峰流量。不同频率的Kp值可以在综合频率曲线上查到。详见表2；(6)以阿合奇设计洪水过程估算托斯呼尔沟时段洪量以托斯呼尔沟调查洪峰流量，对阿合奇参证站设计洪水过程进行同倍比放大，估算托斯呼尔沟调查洪水的最大一日洪量。阿合奇参证站100 a一遇洪水的洪峰流量、一日洪量分别为：Q1%=157 m3/s、W1d，1%=629.4×104m3。托斯呼尔沟调查洪水最大一日洪量、最大三日洪量计算公式为：

表2 地区洪峰及时段洪量模比系数不同设计频率kp值查算表

图1 地区洪峰流量模比系数综合频率曲线

图2 地区1日洪量模比系数综合频率曲线

W1d，调(托)=W1d，1%(阿)×Q调(托)/Q1%(阿)

(1)

式中：Q调(托)为托斯呼尔沟调查洪水洪峰流量；W1d，调(托)为托斯呼尔调查洪水最大一日洪量；Q1%(阿)为参证站设计洪水洪峰流量；W1d，1%(阿)为参证站设计洪水最大一日洪量。

估算托斯呼尔沟调查洪水的一日最大洪量为：

W1d，调(托)=629.4×37.6/157×104m3=150.7×104m3

设计洪峰流量计算公式如下：

(2)

式中：Qp为设计洪峰流量(m3/s)；Kp为设计洪峰流量模比系数；Qd为调查历史洪水洪峰流量(m3/s)；Kd为调查历史洪水洪峰流量模比系数。

根据综合频率曲线不同频率的Kp值和重现期，由以上计算方法即可得到上下坝址的设计洪峰流量。在洪水调查过程中了解到的信息情况确定，2006年发生的洪水是最大洪峰流量。根据访问人搬迁时间确定重现期，即重现期T=(2016-1975+1+1)=43(年)

因此把此次洪水资料作为历史洪水带入公式(2)可得表3。

表3 托斯呼尔沟水库设计洪峰、洪量计算成果表

2.3 推理公式法

根据《水利水电工程设计洪水计算规范》(SL 44-93)中推荐的推理公式，由设计暴雨推求设计洪水，其计算式如下：

Qmp=0.278·ψ·SP·F/τn

(3)

(4)

式中：Qmp为设计频率洪峰流量(m3/s)；0.278为单位换算系数；ψ为洪峰径流系数；SP为雨力(mm/h)；τ为流域汇流历时(h)；n为暴雨递减指数；F为流域面积(km2)；m为汇流参数；J为河道纵坡降；L为出口断面以上沿河道至分水岭的最长距离(km)。

(2)设计暴雨参数n和SP的确定

SP=P24，p·24n-1=K·P1日，p

(5)

根据《新疆维吾尔自治区可能最大暴雨图集》，结合天山北坡实际情况，暴雨递减指数n取0.64，日雨量折算为24 h雨量的换算系数K取1.13，利用温泉水文站年降水量频率计算成果，见表4、图3。

表4 温泉水文站降水量频率计算成果表

(3)汇流参数m的选定

根据《水利水电工程设计洪水计算规范》，结合设计流域河长与河道纵坡降等参数及下垫面条件；

(4)应用推理公式计算软件计算成果见表5。

表5 托斯呼尔沟水库设计洪峰流量成果表

2.4 调蓄经验单位线法

以托斯呼尔沟水库最为邻近的温泉水文站作为参证站，基于最大一日降水资料进行计算分析。收集温泉水文站最大一日降水资料经过频率计算(见图3)，可以推算出不同频率设计的最大一日降水量，详细计算成果见表6。

表6 托斯呼尔沟水库设计洪峰和洪量成果表

图3 温泉水文站最大一日降水量频率曲线图

同时从《新疆维吾尔自治区可能最大暴雨图集》上可以查询到天山北坡地区逐时雨量分配过程。根据雨量分配的具体过程，假设产流历时为tc，在该图集中的产流综合图上查询出相应产流期的平均损失率f，最后求出产流期雨量ptc，对tc是否合适进行验证。

产流期平均净雨强度I净计算见下式。

I净=R净/tc

(6)

R净=ptc-f×tc

(7)

用集水面积F和I净在《新疆维吾尔自治区中小流域设计暴雨洪水图集》汇流综合图上查得示储小时数t0。设定参数tm，涨洪时段n，汇流计算时段△t。用下式求调蓄经验单位线公比b。

b=(t0-0.5×Δt)/(t0+0.5×Δt)

(8)

用上式求以b为公比的无穷递减等比级数u值。

u1=(1-b)

(9)

u2=(1-b)b

(10)

u3=(1-b)b2

(11)

将△t时段的净雨量换算成净雨流量Ii。

Ii=F×Ri/3.6 ×Δt

(12)

Ii乘以u值，并依次叠加，便得出地面径流过程，再合成基流即设计洪水过程线，其最大值即设计洪峰流量。

3 设计洪水成果比选推荐

为减少设计成果计算方法单一造成的一些弊端，尽可能地使用多种方法进行设计洪水计算及综合分析，最后推荐出最为切合实际的计算成果。以上几种方法计算的安格里格乡托斯呼尔沟出山口断面的设计洪水成果，因为各种资料条件和计算方法不相同，所以计算出的设计洪峰流量成果也存在一定差距，现对各种计算成果进行必要的分析，不同方法计算的设计洪峰流量和设计一日洪量成果比较详见表7和表8。最终从中推荐一种较为合理的计算成果供设计部门参考使用。

(1)从各种计算方法的具体过程来看，面积指数法在应用过程中，由于选用的参证站温泉水文站和阿合奇水文站，这两个水文站处于同一气候区的相邻流域，两条河流的产汇流、下垫面条件、流域集水面积和河槽调蓄能力与托斯呼尔沟差别较大，所以，最终采用的参证站计算出的设计成果与各计算断面的设计值会存在明显差异；

(2)地区洪峰流量模比系数综合频率曲线法的一般是将同一气候区各参证站的洪水资料进行综合分析，基于流域的基础调查洪水资料，可以解决无洪水资料流域的设计洪水问题。从对参证站历史洪水考证期的符合来看，安格里格乡托斯呼尔沟与附近流域发生洪水时间不尽一致，局地暴雨发生较频繁，计算出的结果误差较大，所以在本次计算中，不推荐采用地区洪峰流量模比系数综合频率曲线法的计算成果。

(3)在采用调蓄经验单位线法时，以温泉水文站为参证站，通过对实测雨量资料的频率计算，可以确定各设计断面最大24 h设计雨量，经过产汇流计算最后可得到计算成果。进行计算过程中，选用的点面折算系数、最大一日降水与最大24 h降水转换系数都是1984年的《新疆维吾尔自治区可能最大暴雨图集》数值，选取的站点降水量为均为60、70年代降水量。

通过对表7、表8中的计算成果对比分析，可以看出计算结果与实际相接近，采用推荐推理公式法的计算成果作为最终成果比较合理，最终设计洪水推荐成果见表9。

表7 托斯呼尔沟水库设计洪峰流量各种方法计算成果比较 m3/s

表8 托斯呼尔沟水库设计一日洪量各种方法计算成果比较 104m3

表9 托斯呼尔沟水库设计洪水推荐成果表

4 结语

通过对以上几种方法计算的托斯呼尔沟出山口断面的设计洪水成果比选分析可知，因为各种资料条件和计算方法不相同，所以计算出的设计洪峰流量成果也存在一定差距，综合来看，采用调蓄经验单位线法和推理公式法计算的成果与实际结果比较接近，最终选择采用推理公式法的计算成果是最为切合实际的。