温泉县托斯呼尔沟防洪工程设计洪水分析

叶尔登

（新疆维吾尔自治区博尔塔拉水文勘测局，新疆 博乐 833400）

拟建的托斯呼尔沟防洪工程位于新疆温泉县安格里格乡以北7 km 处托斯呼尔沟流域内，由于区域无水文资料，增加了防洪工程设计难度，需对工程处设计洪水进行分析计算。

1 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，东临乌达克赛河阿合奇水文站，南临别珍套山没吾斯达坂北坡，西临温泉县，北至博尔塔拉河中下游段，属于大陆性暖温带干旱气候，多年平均降水量231.9 mm。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2500 m。

托斯呼尔沟平常无水，夏季多暴雨洪水，河流流向大致为由南向北。拟建的托斯呼尔沟防洪工程位于新疆温泉县安格里格乡以北7 km 托斯呼尔沟出山口以下3.2 km 处，根据两岸堤防保护的村庄和田地等对象，拟建防洪堤3.7 km，防洪标准为20 a 一遇，防洪工程为Ⅳ等小（1）型工程，主要建筑物工程级别为4级，次要建筑物及临时建筑物级别为5级。

2 洪水特性与水文计算断面

2.1 洪水成因及分类

影响洪水主要有气候因素（如降水、气温）及下垫面条件（如地形、地质、土壤、植被、冰川等）[1]。由于缺乏托斯呼尔沟实测洪水资料，对洪水特性分析采用与其邻近的温泉水文站洪水资料系列进行。洪水类型有季节融雪洪水、暴雨洪水、混合型洪水3种，洪水特征也与其他地区有所不同，突发性较强，致灾性严重。

2.2 水文计算断面

由于托斯呼尔沟无实测水文资料，结合托斯呼尔沟防洪工程布置和水文资料情况，确定防洪工程4 个断面为工程水文计算断面。A1 断面位于托斯呼尔沟出山口处，地理坐标东经81°09´43″、北纬44°54´31″，海拔高程约1316 m，断面以上集水面积126.2 km2，河长20.8 km；A2 断面位于托斯呼尔沟出山口下游约3.2 km 处，地理坐标东经81°11´11″、北纬44°55´54″，地面海拔高程1238 m；A3断面位于托斯呼尔沟防洪工程上断面A2以下约2.1 km处，地理坐标东经81°11´59″、北纬44°56´52″，地面海拔高程1177 m；A4 断面位于托斯呼尔沟防洪工程上断面A3 以下约1.7 km 处，地理坐标东经81°12´50″、北纬44°57´31″，地面海拔高程1140 m。各水文计算断面位置，如图1所示。

图1 防洪工程节点分布示意

3 参证站设计洪水计算

由于托斯呼尔沟无实测洪水资料，气象资料也不足。现采用与托斯呼尔沟相邻流域气候、下垫面条件大致相同的温泉水文站、阿合奇水文站为参证站，并根据参证站已有的洪水及暴雨资料，推求托斯呼尔沟各计算断面的设计洪峰流量。

温泉水文站有1959—2010 年52 a 连续实测洪水资料，无水利工程影响，因此该站洪水系列具有很好的代表性、一致性和连续性。依据《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-1993）[2]，先查出参证站温泉水文站1959—2010 年的年最大洪峰流量系列，再在按连续系列采用距法估算其统计参数的基础上，通过适线法选配P-Ⅲ型频率曲线，推求洪峰流量系列的统计特征值。参证站洪峰流量系列按连续系列进行频率计算，其统计参数计算公式如下：

式中：XA为系列洪峰流量均值（m3/s）；n为实测系列年数（a）；S为系列标准差；Cv为系列变差系数；Xi为第i年的洪峰流量（m3/s）；Pm为排序第m位洪峰流量的经验频率；m为样本排序[3]。

阿合奇水文站共有1961—1965、1979—1992 年水文部门观测资料和1993—2010 年水管部门观测资料，其设计洪峰流量计算方法同温泉水文站设计洪峰流量计算方法。采用上述方法计算得温泉水文站、阿合奇水文站设计洪峰流量，结果详见表1。

表1 参证站设计洪峰流量计算成果

4 断面设计洪峰流量计算

根据洪水资料条件，温泉县安格里格乡托斯呼尔沟A1断面设计洪峰流量采用以下方法进行计算：①以温泉水文站和阿合奇水文站为参证站，结合洪峰流量模数法计算设计洪水；②选用推理公式法计算设计洪水；③采用调蓄经验单位线法计算设计洪水并进行综合分析比较，推荐较为合理的最终设计洪水成果，供规划设计使用。

4.1 洪峰流量模数法推求设计洪水

根据参证站温泉水文站和阿合奇水文站相应不同频率设计洪峰流量模数，分别乘以托斯呼尔沟A1断面以上集水面积126.2 km2，即可得到A1 断面设计洪峰流量成果，详见表2。

表2 A1断面设计洪峰流量计算成果（洪峰流量模数法）

4.2 推理公式法计算设计洪水

根据《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-1993）中推荐的推理公式，由设计暴雨推求设计洪水。其计算公式如下：

式中：Qmp为设计频率洪峰流量（m3/s）；ψ为洪峰径流系数；SP为雨力（mm/h）；τ为流域汇流历时（h），取5 h；n为暴雨递减指数，取0.7；F为流域面积（km2），取126.2 km2；m为汇流参数，取1.603；J为河道纵坡降，取59.2‰；L为出口断面以上沿河道至分水岭的最长距离（km），取20.8 km。

设计暴雨参数n和SP由下式确定：

式中：P24p为24 h 雨量（mm）；P1dp为1 d 雨量（mm）；n为暴雨衰减指数，取0.7；K为1 d 雨量折算为24 h 雨量的换算系数，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，取1.13[4]。

温泉水文站不同频率最大1 d降水量计算成果，详见表3。

表3 温泉水文站不同频率最大1 d降水量计算成果

将上面相关参数代入式（5），计算A1断面设计洪峰流量，结果详见表4。

表4 A1断面设计洪峰流量计算成果（推理公式法）

4.3 调蓄经验单位线法计算设计洪水

以邻近的温泉水文站为参证站，由《新疆维吾尔自治区可能最大暴雨图集》天山北坡地区时面深综合曲线图查出防洪治理河段A1 断面以上集水面积24 h 点面折算系数，考虑到安格里格乡托斯呼尔沟高程较参证站温泉水文站高程高、气候和下垫面条件相似，所以点面折算系数采用1.05，再将最大1 d 暴雨乘以转换系数K，求得最大24 h 暴雨均值。转换系数K采用全区统一值1.13。

利用《新疆维吾尔自治区可能最大暴雨图集》查得天山北坡地区逐时雨量分配过程，假设产流历时tc，在《新疆维吾尔自治区中小流域设计暴雨洪水图集》产流综合图上查出相应产流期平均损失率f后，求得产流期雨量ptc，验证tc是否合适。

产流期平均净雨强度I净计算公式为：

式中：I净为产流期平均净雨强度（mm）；R净为净雨总量（mm）；tc为产流历时（h）。

式中：R净为净雨总量（mm）；ptc为产流期雨量（mm）；f为损失率（mm）；tc为产流历时（h）。

利用集水面积F和I净在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Δt为1 h。采用下式计算调蓄经验单位线公比b：

采用上式求以b为公比的无穷递减等比级数u值：

Δt时段的净雨量换算成净雨流量Ii计算公式为：

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[5]。调蓄经验单位线法计算A1断面设计洪峰流量成果，详见表5。

表5 A1断面设计洪峰流量计算成果（调蓄经验单位线法）

4.4 推荐采用设计洪水计算成果

安格里格乡托斯呼尔沟洪水及降水资料贫乏，这给防洪工程建设设计洪水计算带来了一定困难。为减小误差、最大化地保障设计洪水计算结果的科学性，采用了3 种方法对安格里格乡托斯呼尔沟出山口即A1断面的设计洪水进行了计算，由于参证站和分析计算的方法不同，其设计洪峰流量成果也有一定的差距。现对各种计算方法及成果进行分析。

（1）洪峰流量模数法选用相邻流域同一气候区的温泉水文站和阿合奇水文站作为参证站，这2 条河流产汇流及下垫面条件尤其是流域集水面积及河槽调蓄能力与托斯呼尔沟相差较大，所以该方法计算结果误差较大，不太适宜。

（2）在推理公式法计算的各种参数中，用温泉水文站为参证站，查出点面转换系数，在1∶5万地图中量取托斯呼尔沟集水、河长及比降等信息，计算结果比较可靠，因此推荐采用推理公式法计算成果。

（3）调蓄经验单位线法以温泉水文站为参证站，对其实测雨量资料经过频率计算，得到各设计断面最大24 h 设计雨量，再经产汇流计算得到设计洪水成果。在计算过程中，选用的点面折算系数、最大1 d降水与最大24 h 降水转换系数、站点降水量均为20世纪六七十年代数据，暴雨资料较少，时间较久。由于折算系数、转换系数试验数据较少，针对不同流域，其不确定性因素对计算成果会造成不同程度的误差，难以反映最新的洪水变化情况。

安格里格乡托斯呼尔沟洪水及降水资料贫乏，这给设计洪水计算带来了一定的困难，本次采用3种方法对安格里格乡托斯呼尔沟进行洪水分析计算，用以进行对比分析和相互验证。所采用的设计暴雨推求设计洪水法、推理公式法和洪峰流量模数法，都是资料短缺或无资料地区在进行洪水分析计算中普遍使用的方法。通过以上分析可知，推理公式法计算成果比较接近，因此A1断面的设计洪水成果选用推理公式法计算结果。

4.5 其他断面设计洪水计算

安格里格乡托斯呼尔沟共有4 处设计洪水节点。由于该区属无水文资料地区，依据2011 年5 月和2011年12月洪水调查结果，计算A1断面至A2断面之间洪峰流量沿程每公里相对衰减率。A1 断面洪峰流量为37.6 m3/s，A2断面洪峰流量为34.5 m3/s，2 个断面间距3.2 km，A2 至A3 断面间距2.1 km，A3至A4断面间距1.7 km。

断面A1至A2洪峰流量沿程每公里相对衰减率计算公式如下：

式中：Ki为洪峰流量沿程每公里相对衰减率；Qms为上断面洪峰流量（m3/s）；Qmx为下断面洪峰流量（m3/s）[5]；Lsx为上下断面间距（km）。

经计算，得Ki=0.0258。

各个断面设计洪峰流量计算公式如下：

式中：Qgp为设计断面设计洪峰流量（m3/s）；Qsp为上断面设计洪峰流量（m3/s）；Ki为洪峰流量沿程平均每公里相对衰减率；Lsg为设计断面距上断面距离（km）。

经计算，得断面A2、A3、A4 不同频率设计洪峰流量，结果详见表6。

表6 各断面设计洪峰流量水计算成果m3/s

托斯呼尔沟流域在1500～1900 m 雪线以下的河谷及中、高山带植被覆盖良好，但部分区域为重大地质灾害区。根据以上地质地貌特点以及洪水调查，A2断面以下洪沟走向较为分散，冲淤变化较大；在暴雨洪水的冲击下，A3 断面附近曾有直径约30 cm、高5 m 的树木以及直径20～40 cm 的石块被冲下来。工程规划时，应考虑山体滑坡、阻塞河道引发泥石流等可能产生的影响。

5 结语

由于托斯呼尔沟流域无水文、气象资料，所以通过采用相邻的其他流域水文资料和规范允许的多种方法进行防洪工程设计洪水计算。经过比较，推理公式法计算的A1断面设计洪水成果较科学合理，切合实际。再通过洪峰流量相对衰减率计算出其他断面处的设计洪水，这种计算方法和思路为无水文资料区多个工程节点的设计洪水计算提供了参考。由于托斯呼尔沟为小河沟，其洪水产、汇流机制与中小河流存在一定差异，所以本次所估算的洪水设计成果仅供本阶段防洪工程设计使用。