新疆托克逊县阿拉沟引水渠首除险加固工程洪水分析计算

郭军辉

(吐鲁番市水利水电勘测设计研究院，新疆 吐鲁番 838000)

1 概 况

阿拉沟河流域地跨乌鲁木齐市、和静县、托克逊县，位于E86°50′-E89°11′，N42°40′-N43°05′之间，阿拉沟河流经巴州和静县、乌鲁木齐市和吐鲁番地区的托克逊县，尾闾为吐鲁番市境内的艾丁湖。

2009年2月，有关专家对渠首进行了安全鉴定，鉴定结果为三类闸，需进行除险加固。

2 气 象

托克逊县为典型的温带大陆性干旱气候，多年平均降水量为8.2 mm。全年降水量以夏季最多，春季次之。多年平均蒸发量为3 014.9 mm，多年平均气温为14.5℃，冬季历年最大冻土深度为60 cm(1984年)。托克逊县地势高低悬殊，受热面积大，温度变幅大，导致多风天气的产生，多年平均最大风速大于40 m/s，最大风力为12级，素有“风库”之称。

3 水 文

3.1 阿拉沟水文站

该站1956年11月设立于托克逊县阿乐慧镇的阿拉沟河出山口附近。因1996年特大洪水将该站测验设施冲毁，次年下迁至原断面下游5 km处，中间无支流汇入，迁移前后测验断面以上集水面积变化不大，迁移前后资料合并统计。该站除1958年10-12月、1959年1-6月缺测流量外，其余时段资料完整。

3.2 艾维尔沟巡测站

该巡测站由吐鲁番水文局在1986-1989年在阿拉沟水文站下游约2 km处的大桥上550 m处巡测，4年观测断面一致，上述两站观测项目统计见表1。

表1 阿拉沟水文站及艾维尔沟观测项目统计表

4 洪 水

4.1 洪水成因类型

阿拉沟河存在3种基本的洪水类型：①中高山区大降雨形成的暴雨型洪水；②随着气温逐渐上升，冰川以及积雪融化形成的冰雪融水洪水；③随气温上升，加之大降雨形成暴雨，形成融水混合型洪水。3种类型洪水中，以暴雨洪水最为突出。

4.2 参证站设计洪峰流量计算

4.2.1 经验频率及统计参数计算方法

洪水经验频率曲线及统计参数估算采用连序系列计算公式，公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：n为系列项数；Pm为按大小顺序排位的第m项洪水的经验频率；Xi为实测洪水变量(i=l+1,…,n)；X为洪水变量均值；Cv为洪水变量变差系数。Cs与Cv的比值采用经验法，人工适线确定。

4.2.2 设计洪峰流量计算

阿拉沟水文站洪峰流量按连序系列进行频率计算，采用P-Ⅲ型曲线优选适线计算，统计参数及设计洪峰流量计算成果见图1和表2。

图1 阿拉沟水文站洪峰流量频率曲线图

表2 阿拉沟站洪峰流量及时段洪量设计成果表

4.3 艾维尔沟巡测站设计洪峰流量确定

4.3.1 洪峰模数法

艾维尔沟与阿拉沟为相邻流域，属同一气候区，下垫面条件、洪水成因及类型较为相似，但集水面积相差较大。艾维尔沟上游产洪能力较阿拉沟弱：①艾维尔沟系阿拉沟河一个支流，艾维尔沟巡测站和阿拉沟水文站所处断面海拔高程(分别为773和787.321 m)基本相同；②阿拉沟和艾维尔沟河流域高程最高为4 400 m，最低为770 m左右，难以按控制面积进行修正，因此只能按水文站洪峰模数来计算。

(4)

式中：Q设为设计洪峰流量，m3/s；Q参为参证站设计洪峰流量，m3/s；F参为参证站集水面积，km2；F设为汇水区集水面积，km2。

采用式(4)计算艾维尔沟巡测站设计洪峰流量，成果见表3。

表3 艾维尔沟巡测站设计洪峰流量成果表(洪峰模数法)

4.3.2 长短系列订正法

按艾维尔沟1981和1996年两年洪水调查值与临近阿拉沟站同期洪水进行长短系列订正，由公式得出多年平均洪峰流量为35.0 m3/s，再用阿拉沟站洪峰流量统计参数计算出该沟的设计洪水计算成果，见表4。

表4 艾维尔沟巡测站设计洪峰流量成果表(长短系列订正法)

4.3.3 洪峰流量模比系数地区综合法

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洪水资料，采用成都科技大学等3所院校合编的《工程水文及水利计算》一书提出的“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，公式如下：

(5)

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阿拉沟、煤窑沟、二塘沟、柯柯亚水文站历史调查洪水和实测洪峰流量系列样本，编制地区洪峰流量模比系数综合频率曲线(图2)。

图2 吐鲁番地区洪峰流量模比系数综合频率曲线图

本次采用1981年洪水97.9 m3/s和1996年107 m3/s洪水调查成果，重现期定为29年，其相应的模比系数为3.907。据此求得KP值及艾维尔沟巡测站不同设计频率设计洪峰流量，见表5。

表5 艾维尔沟站设计洪峰流量成果表(模比系数地区综合频率线法)

4.3.4 艾维尔沟设计洪峰流量的确定

上述几种计算方法对比见表6。

表6 艾维尔沟设计洪峰流量成果对比表

由于艾维尔沟是阿拉沟的一条支流，两者为同一气候区的相邻流域，下垫面和洪水形成规律具有相似性，同步性较好。虽两者集水面积相差悬殊，但是两者水文特性基本一致。从计算结果来看，该方法29年一遇(P=3.4%)的设计成果(136 m3/s)与1996年调查值(107m3/s)相比，比调查值大21.3%，其成果较合理，切合实际。因此，建议采用洪峰模数法计算成果，作为本次艾维尔沟设计依据。

4.4 天然状况下阿拉沟引水渠首设计洪水过程线计算

阿拉沟引水渠首天然状况下设计洪水过程线借用阿拉沟水文站1996年7月18日3∶00至7月21日3∶00(最大洪峰流量为490 m3/s)实测洪水过程，按同倍比放大方法计算，结果见图3。

图3 天然状况下阿拉沟引水渠首设计洪水过程线图

5 结 语

本文主要对阿拉沟渠首参证站和巡测站的设计洪峰流量进行计算，并采用洪峰模数法、长短系列订正法和洪峰流量模比系数地区综合法对巡测站设计洪峰流量进行比选对比，最终确定选用的比选结果和方法。通过对渠首的设计洪水进行计算和分析，在为同类渠首的洪水计算提供设计依据的同时，也为其他渠首洪水计算起到了一定的指导作用。结合工程建成后的运行，该计算与分析的成果是可靠的。