和静县防洪工程洪水计算方法探析

马 越

(新疆巴音郭楞水文勘测局，新疆 库尔勒 841000)

发源于天山东部依连哈比尔尕山的巩乃斯河，是新疆第一大河——伊犁河上的第三大支流，河流全长为274.5 km，流域集水面积为4 123 km2。巩乃斯河上游为峡谷段，河床狭窄、陡峻、水流湍急；下游河滩宽阔，水流平稳集中。春夏季水量丰沛，秋冬季为枯水期。巩乃斯河上游的和静县巩乃斯镇，共有农牧民8 230人，当地河道没有堤防，经常遭受洪水灾害。为了防洪保安需要，规划此处新建堤防4.225 km，为此，需对工程处洪水进行探讨。

1 概况

巩乃斯河流域东、南、北三面环山，地势东高西低，东窄西宽，由东向西倾斜敞开呈喇叭状。境内山脉呈东西走向，绵延起伏，巩乃斯河及其支流恰甫河自东向西横贯其中，构成三山夹两川的独特地形。巩乃斯河属寒温带大陆高原气候，降水主要集中在春夏两季，多年平均降水量827.3 mm，年最大、最小降水量分别为1 139.7 mm和653 mm，分别发生在1970年和1974年。年蒸发量为1 025.7 mm。

2 洪水类型及特性

影响巩乃斯河洪水的主要条件是气候条件(如气温和降水)和下垫面条件(如地形、地质、土壤、植被、冰川等)。巩乃斯河洪水的成因有三种：

2.1 融水洪水

此类洪水分两种：一种是季节性积雪融水洪水，另一种是高山冰雪融水洪水。季节性积雪融水洪水主要发生在3-5月份，由中低山和冲积扇坡面积雪融化形成洪水；高山冰雪融水洪水，主要发生在6-8月份，此时气温一般都比较高，零度层高度一般在4 000 m以上，高山冰雪融化形成洪水。

融水洪水过程与气温变化过程很相似，一日一峰，气温高，洪峰流量大，气温低，洪峰流量小。巩乃斯河的洪水历时约为5～7日。此类洪水发生次数很多，洪峰流量较高，次洪量也较大，常产生洪水灾害，是巩乃斯河的主要洪水类型之一。

2.2 暴雨洪水

此类洪水多发生在暴雨多发的夏季，洪水过程无明显的日变化，为独立的峰型，陡涨陡落，洪峰很高，但洪量不很大，巩乃斯河洪水历时一般为5～7天。此类洪水虽然发生次数不多，但洪水来势凶猛，摧毁力极强，是防洪的主要洪水类型。

2.3 混合型洪水

此类洪水主要发生在4～5月份，此时期新源县气温一般都较高，冰雪融水量较大，又正值新源县雨季，暴雨频繁，极易造成暴雨与融冰雪水混合形成洪水灾害。此类洪水过程亦有明显的日变化，洪水历时较长，峰高量大，是造成较大洪水灾的洪水类型。

3 参证站洪水分析

巩乃斯河流域内建有某水文站、种羊场站和某专用站。某水文站1960年7月建站，观测至今，观测项目有：水位、流量、泥沙、水温、冰清、降雨、蒸发等。种羊场站1956年10月建站，于1960年7月撤站。某专用站建于1967年11月26日，主要承担天山道路雪崩和风吹雪治理课题。结合各站资料实际情况，本此设计优先选用某水文站作为本次水文分析计算的参证站。

3.1 洪水系列三性分析

3.1.1 参证站设计洪水系列可靠性分析

巩乃斯河某水文站1960年7月建站观测至今，是国家基本测站，水文测验、数据采集和资料整编均执行国家行业规范和标准，经测站初步整编、巴州水文局审查与区水文局复审，整编资料达到国家行业规范刊印要求，资料成果可靠，精度较高。

3.1.2 参证站设计洪水系列一致性分析

在较大洪水时，基本不引水，可以认为其历年洪水资料系列基本没有受到引水的影响。同时，该站观测期内产生洪水系列资料的流域和河道的产流、汇流等条件无根本性改变。因此，使用巩乃斯河某水文站1961-2010年的洪峰流量系列，具有一定的一致性。

3.1.3 参证站设计洪水系列代表性分析

1)长短系列统计参数对比分析

对参证站某水文站1961-2010年的实测洪峰流量按不同系列长度作统计参数计算，并与长系列比较，见表1。由表1可知，不同长度系列洪峰流量的均值和Cv值，随系列长度的增加而误差不断减小。当系列长度达到40年以上时，与长系列比较均值误差小于5.2%，Cv值误差小于-9.3%。这表明，当参证站洪峰流量系列长度达到40年以上时，各统计参数已基本趋于稳定。

表1 参证站长短系列年最大洪峰流量统计参数对照表

2)洪峰流量模比系数差积曲线分析

由参证站某水文站1961-2010年的洪峰流量系列，统计并绘制模比系数差积曲线如图1。分析图1可知，某水文站洪峰流量系列中包含有一个完整的丰、平、枯水过程，1961年至1984年的20多年间，是巩乃斯河某水文站的小洪水段；1985年至1995年为平水段；1996年之后进入一个大洪水段，洪水周期约为40年。

图1 某水文站最大洪峰流量模比系数差积曲线图

3)洪峰流量模比系数累积平均曲线分析

对参证站某水文站1961-2010年的洪峰流量系列，从2006年向前统计并绘制洪峰流量模比系数累积均值过程线如图2。由图2表明，某水文站的洪峰流量模比系数累积均值，当系列长度达到40年之后，已逐渐趋近于1。这说明当系列长度达到40年之后，某水文站洪峰流量的均值是比较稳定的。

图2 某水文站最大洪峰流量模比系数累积均值曲线图

以上分析说明，巩乃斯河某水文站洪水系列包含了较完整的洪水变化过程，信息较丰富。因此，某水文站1961-2010年50年洪水系列具有一定的代表性。

综上所述，巩乃斯河某水文站实测洪峰流量系列有一定的一致性和代表性，可以满足设计洪水计算的要求。

3.2 洪水计算

本次收集了某水文站1961-2010年实测洪水资料，组成共51年连续洪水系列。采用某水文站1961-2010年洪峰，用P-III型曲线进行适线，矩法估算参数，适线法适线，目估定线，适线时侧重照顾中高点据，水文站洪峰频率曲线见图3，洪水设计成果见表2。

图3 巩乃斯河某水文站年最大洪峰流量频率曲线图

3.3 洪水复核

通过现场实际调查访问，2011-2017年，巩乃斯河未发生特大洪水，因此某水文站洪水系列不受影响，其洪水洪峰流量均值仍为166 m3/s。

4 工程处设计洪水分析

4.1 工程场址设计洪水计算

由于本次治理河段位于某水文站上游，暴雨和植被条件差别不大，汇流条件基本一致，本次治理河段设计洪水根据某水文站1961-2010年实测洪水资料采用水文比拟法计算，堤防治理工程末端以上流域面积641 km2，某水文站站址以上集水面积4 123 km2，计算公式为：

(1)

式中：QS为设计断面流量，m3/s；QC为参考断面流量，m3/s；FS为设计断面集水面积，km2；FC为参考断面积水面积，km2；K为面积指数。

由于堤防治理河段距离某专用站河道距离较近，故面积指数K值参考1992年某专用站(集水面积984 km2)实测洪峰流量52.2 m3/s与该年某水文站实测值91.4 m3/s确定。经分析，面积指数选取K=0.39。根据上述，直接移用某水文站设计洪峰流量统计参数，计算得本次堤防治理河段设计洪峰流量成果见表2。

表2 巩乃斯河某水文站与防洪工程(二期)段设计洪水表

4.2 设计洪水成果的合理性分析

(1)本次采用某水文站为计算的参证站，洪水系列采用实测1961-2010年共50年洪水系列，并组成连续洪水系列进行设计洪水计算，资料系列长度符合规范要求。

(2)本次治理河段位于某水文站上游，与某水文站是上下游关系，洪水的形成机制和丰枯变化基本一致且成因果关系，故直接引用某水文站的设计洪水计算参数是合理的。

4.3 分期洪水计算

根据设计需要，本次分期洪水分为2个时段，分别为4-8月、9-3月。其中，4-8月为主汛期，其设计洪水成果采用年最大成果。

4.3.1 计算思路

本次分期设计洪水主要采用流量资料进行计算，计算方法与工程场址断面设计洪峰流量相同。由于工程场址断面处无长系列洪水资料，按照区域洪水特性，以某水文站为参证站，对参证站某水文站9-3月的分期洪水进行设计计算，适线法计算参证站9-3月最大洪峰流量的统计参数和不同频率的设计值，以洪峰模数法推算工程场址处9-3月的多年平均洪峰流量值，再以参证站的分期设计洪水的统计参数Cv、Cs/Cv值，推算工程场址处的分期设计洪水。

4.3.2 工程河段分期洪水计算

根据参证站1961-2010年9-3月的实测最大洪峰流量系列，采用矩法计算各统计参数，并经P—Ⅲ型曲线适线优选确定采用参数。适线时考虑与经验点据拟合和工程施工安全等因素，对Cv、Cs值进行适当调整。根据参证站9-3月分期洪水设计成果及不同设计频率的Kp值，以洪峰模数法计算本次防洪工程河段9-3月不同设计频率的设计最大洪峰流量，计算结果见表3。

表3 巩乃斯河某水文站与防洪工程(二期)段9-3月月设计洪水表

5 结语

为了确保巩乃斯河和静县巩乃斯镇段防洪工程的顺利实施，在没有水文监测资源的情况下，以洪水情况相近的工程处下游的某水文站为参站证，采用水文比拟法和洪峰模数法计算出工程处及施工期不同设计频率的洪峰流量，工程处洪水多年均值为80.3 m3/s，10年一遇洪水为129 m3/s。施工期9-3月多年均值为33.7 m3/s，10年一遇洪水为52.3 m3/s，为工程建设提供科学依据，可供水文资料缺乏区进行洪水计算借鉴。