乔拉布拉水库水文分析计算

李仁豪

（第九师联拓勘测设计研究有限公司,新疆 塔城 834601）

1 流域及工程概况

乔拉布拉河位于中哈边境的塔尔巴哈台山以南,塔额盆地北端,发源于塔尔巴哈台山东段,由北向南,出山口后流程大约28 km,散失于山前冲积平原。乔拉布拉河水系属于扇形水系,河流上游有4条支流,在距离出山口上游2.8 km处汇入乔拉布拉干流。乔拉布拉河出山口以上平均海拔为1815 m,平均纵坡为7.6%。河流两岸植被生长较好。流域内无永久性积雪和冰川发育,径流补给来源主要是季节性融雪水、降雨和地下水。

拟建的乔拉布拉水库位于乔拉布拉河出山口上游1.6 km处,是一座以农业灌溉、防洪为主,兼顾工业和人畜供水的具有综合开发任务的水利枢纽工程。水库行政区归属额敏县,库区在第九师一六六团范围内,下游500 m处为乔拉布拉河渠首。工程兴建后,可存蓄夏季洪水及冬季弃水,缓解灌区供需水矛盾,同时能提高下游防洪工程标准,减轻防洪负担,减少洪灾损失,使灌区各族人民生命财产安全得到保障。

2 水文资料

乔拉布拉河未设水文观测站,只有一六六团在出山口引水渠首处设有水管站,该水管站是为灌溉服务的,1964年设站至今,仅观测流量。水管站的测流断面位于引水干渠处,该河平、枯水期水量较小,因干渠采用衬砌型式,断面稳定,采用水位流量关系推算河道来水,在此期间,所测河道来水精度较高；洪水期因流量较大,断面冲淤变化较大,测验采用一点法,每日进行两次观测,测验精度有限。平枯水期流量观测资料符合国家规范的要求,可以作为设计依据。但是由于洪水期观测次数较少,不能满足规范要求,需要进行还原计算。

在塔额盆地与其临近的且有较长系列实测资料的水文站有3处,分别是卡琅古尔站,沙乌什水站和哈拉依敏站,测站的基本情况见表1。

表1 各参证站情况

3 参证站的选取

由于水管站实测径流资料洪水期精度不足,难以满足水文分析计算要求,因此选择卡琅古尔河上的卡琅古尔站作为参证站进行计算[1-2]。乔拉布拉河与卡琅古尔河同位于塔尔巴哈台山南坡,径流补给来源一致,气候、流域植被覆盖率等条件基本一致,流域平均海拔高程较为接近,所以两河流年内分配相近。通过修正后长系列年径流系列,与塔额盆地其它几条同源于塔尔巴哈台山的河流对比分析,年径流丰、平、枯周期和径流年内分配均存在相似性。根据乔拉布拉河现有完整年资料与卡琅古尔水文站同期资料建立相关关系,通过信度α=0.01的检验,相关显著,相关系数达0.96,因此,乔拉布拉河多年平均年径流计算成果符合该区域河流的基本特征。

4 径流分析

由于乔拉布拉水管站观测的仅是渠首的引水流量,平枯水期流量较小,观测精度较高,误差较小,而在洪水期（4月～5月）受引水渠首规模的限制,当遇到较大洪峰时,有部分弃水无法实测到,所观测的流量不能完全反应河道的天然来水。为保证径流分析计算的准确性,多年平均净流量计算采用水库坝址处实测值修正法确定,并用径流深等值线法进行验证,用频率分析法确定年径流系列统计参数,最后确定丰、平、偏枯、枯4个典型年的年内径流分配。

4.1 实测值修正法

选用卡琅古尔站作为径流修正参证站,利用平枯水期径流资料计算出水文比拟法中的面积修正系数n（公式1）。

式中：Q1为乔拉布拉河平枯水期径流,万m3；Q2为卡琅古尔河平枯水期径流,万m3；F1为水库坝址以上集水面积,km2；F2为卡琅古尔站集水面积,km2；n为面积修正系数。

根据乔拉布拉水管站与卡琅古尔站平枯水期实测径流,计算的水文比拟法中的面积修正系数为0.99。然后采用水文比拟法,利用卡琅古尔水文站实测多年径流资料进行乔拉布拉河洪水期4月、5月平均径流量的还原计算。经计算,以卡琅古尔站为参证站推算的乔拉布拉水管站处多年平均径流量为1657.94万m3。

4.2 径流深等值线法

根据《新疆1956-2000年平均径流深等值线图》,乔拉布拉河所在流域年平均径流深约为370 mm,乔拉布拉水库坝址断面以上集水面积44.6 km2,则乔拉布拉水库坝址断面处多年平均径流量按公式（2）计算[3]。

式中：W为径流量,万m3；F为水库坝址断面以上集水面积,km2；P为流域年平均径流深,mm。

经计算,水库坝址断面处多年平均径流量为1650.2万m3。

4.3 径流的年内分配

以上2种方法计算得到的多年平均径流量相差不大,选用实测值修正分析后计算结果,即流域多年平均径流量1657.94万m3。将乔拉布拉水管站修正后的年径流系列资料进行频率曲线分析,理论频率曲线采用P-Ⅲ型曲线,以矩法估算年径流系列统计参数[4-5]。经P-Ⅲ型曲线适线确定,乔拉布拉水坝库址处频率计算结果见表2。

表2 水库坝址处年径流量频率计算结果表

乔拉布拉水库主要任务是灌溉和防洪,设计代表年的年内分配,根据年径流频率计算的结果,选择丰水年、平水年、偏枯水年和枯水年作为典型年进行缩放。所选典型年主要考虑2个原则：①年径流量接近设计保证率；②年径流系列对防洪和灌溉不利。选取若干个满足以上两个条件的实测年份,分析比较其月内分配,从中选择资料齐全、年内分配不均的年份为典型年。设计代表年的年内分配按所选典型年的年内分配同倍比缩放,结果见表3。

表3 水库坝址设计年径流及年内分配

5 洪水计算

乔拉布拉河洪水过程多为单峰型,一次洪水历时相对较短,一般在3日以内,最长不超过7日,因此需分析计算水库坝址最大1日、3日、7日设计洪量和7日洪水过程。由于乔拉布拉水库坝址无实测的洪水过程线,采用相邻流域水文分区内有较长洪峰流量系列的卡琅古尔站为参证站进行计算。

5.1 设计洪峰流量

应用水文比拟法推求乔拉布拉水库坝址设计洪峰流量。卡琅古尔站洪水系列包含了大、中、小洪峰点据,丰、平、枯周期明显,洪峰流量模比系数累计平均值过程线稳定趋近于1,可以认为其系列资料对于总体分布具有较好的代表性。参照公式（1）及卡琅古尔站设计洪峰流量成果,计算得到乔拉布拉水库坝址设计洪峰流量,见表4。

表4 水库坝址处设计洪峰流量成果

5.2 设计洪量

以植被条件、洪水成因和发生时间上均比较一致的卡琅古尔河作为参证河流,采用洪量模数法将卡琅古尔水文站的设计洪量模数移至乔拉布拉水库坝址处,由式（3）求得乔拉布拉水库坝址不同频率设计洪量成果见表5。

表5 水库坝址设计洪量成果表

式中：W设、W站分别为水库坝址断面和参证水文站断面的设计洪量,万 m3；F设、F站为水库坝址断面及参证水文站断面所控制的流域面积,km2。

5.3 设计洪水过程线

选择卡琅古尔水文站实测的1993年大洪水过程为典型洪水,其洪水过程呈单峰,陡涨陡落,一次洪峰流量达127 m3/s,且此次洪水过程完整,观测精度较高,可为水库调洪演算和水库安全设计提供可靠的依据。参照该站此次洪水过程,模拟出设计流域设计洪水过程。典型洪水过程线的缩放计算,采用同频率放大法,根据洪水期特征参数计算各重现期的设计值,洪峰与不同时段洪量系列采用不同缩放倍比K值[6-7]。各时段缩放倍比按照公式（4）～式（7）计算。

式中：Qp、Wp为设计洪水过程的峰量值；Q典、W典为典型洪水过程的峰量值。

采用不同频率的缩放倍比以及卡琅古尔水文站的典型洪水过程,对不同时段节点处,按水量平衡原则进行修正,确保各时段洪量与设计洪量值一致。计算得到的乔拉布拉坝址的设计洪水过程线成果见图1。

图1 水库坝址不同频率洪水过程线

6 结语

（1）通过选取卡琅古尔水文站作为参证站,对乔拉布拉河水文数据进行修正,计算得到了坝址处的洪峰、洪量和洪水过程,计算结果能较好的代表本区域水文特性,具有较强的可靠性,可为乔拉布拉水库设计提供依据。

（2）乔拉布拉水库建成后,可通过建设水文测报系统对水文数据进行收集、分析、整理,通过一定时期的流域降水、径流资料的积累,分析建立流域降雨径流模型,可为水库的水资源利用、防洪调度创造有利条件。