新疆葉爾羌河米斯克尼水電站壩址設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法探討

李 悅 范正行 葉緒綱(中國(guó)電建集團(tuán) 貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

新疆葉爾羌河米斯克尼水電站壩址設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法探討

李 悅 范正行 葉緒綱(中國(guó)電建集團(tuán) 貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

葉爾羌河冰川突發(fā)洪水以其極高的漲落速率、異常的洪峰而聞名于世，洪水問(wèn)題一直吸引著眾多中外學(xué)者的關(guān)注。米斯克尼水電站水庫(kù)是葉爾羌河干流規(guī)劃的龍頭水庫(kù)，對(duì)下游防洪起著至關(guān)重要的作用，其設(shè)計(jì)洪水成果直接影響電站的安全與規(guī)模。根據(jù)流域水文站實(shí)測(cè)洪水資料，結(jié)合冰潰洪水特點(diǎn)，對(duì)洪水傳播特性進(jìn)行了分析研究，并對(duì)壩址洪水的計(jì)算方法展開(kāi)了探討。

冰川潰壩洪水;計(jì)算方法;葉爾羌河;米斯克尼水電站;新疆

1 工程概況

米斯克尼水電站位于葉爾羌河中游峽谷區(qū)，電站水庫(kù)是葉爾羌河規(guī)劃河段的龍頭水庫(kù);流域面積為24 769km2，水庫(kù)正常蓄水位為2 870m，相應(yīng)庫(kù)容為19.19億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容13.87億m3，是Ⅰ等大(一)型工程。根據(jù)《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為0.1%,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為0.01%。該工程具有年調(diào)節(jié)能力，對(duì)下游防洪起著至關(guān)重要的作用。

葉爾羌河干流上游有庫(kù)魯克欄桿水文站(32 880km2)和卡群水文站(50 248km2)。米斯克尼水電站壩址位于庫(kù)魯克欄桿水文站上游約165km處，庫(kù)魯克欄桿水文站則位于卡群水文站上游約102km，以上兩站為該工程的設(shè)計(jì)依據(jù)站。

2 洪水特性

葉爾羌河發(fā)源于喀喇昆侖山北脈喀喇昆侖冰川，是以冰川補(bǔ)給為主的河流，洪水類型主要有冰川積雪消融型、暴雨型、冰川潰決突發(fā)型以及上述各類型的混合型。

根據(jù)卡群水文站1954～2011年實(shí)測(cè)資料分析，每年葉爾羌河的洪水是以冰雪消融為主，并混合有其他類型的洪水，大洪水主要是冰潰洪水與其他類型的混合型洪水。其中,冰川潰決突發(fā)型洪水主要來(lái)自上游克勒青河谷的冰川(克亞吉爾和特拉姆坎力)阻塞河谷而形成的冰湖，具有發(fā)生突然、峰值極高、陡漲陡落及峰值沿程衰減等特性。

3 歷史洪水

據(jù)歷史文獻(xiàn)記載,葉爾羌河流域多次發(fā)生大洪水。1961年10月、1962年7月、1971年8～9月，原新疆喀什地區(qū)水文分站曾對(duì)葉爾羌河干流進(jìn)行過(guò)歷史洪水及洪水調(diào)查。

調(diào)查結(jié)果表明，卡群水文站歷史洪水中，最大值是1880年9月的9 140m3/s，其余場(chǎng)次的洪水均小于1961年9月實(shí)測(cè)的最大洪峰6 270m3/s。庫(kù)魯克欄桿水文站最大歷史洪峰流量是1890年6月的6 280m3/s，小于庫(kù)魯克欄桿水文站1961年9月實(shí)測(cè)的最大洪峰6 670m3/s。本次考慮選用卡群水文站1880年9月的9 140m3/s歷史洪水參與設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算，重現(xiàn)期按130a計(jì)算。對(duì)庫(kù)魯克欄桿水文站1880年歷史洪水洪峰流量,采用兩站實(shí)測(cè)的同場(chǎng)冰潰洪水洪峰流量相關(guān)關(guān)系來(lái)計(jì)算。通過(guò)計(jì)算,得到的1880年的洪峰流量為9 780m3/s。

4 水文站設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

5 壩址設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

葉爾羌河流域冰川潰決主要發(fā)生在葉爾羌河上游，設(shè)計(jì)斷面的稀遇洪水規(guī)模主要取決于冰川潰決型洪水規(guī)模，冰潰洪水洪峰沿程衰減、洪量沿程增加。

5.1 單位河長(zhǎng)衰減率法

冰潰洪水具有由上至下、洪峰沿程衰減的特性。根據(jù)庫(kù)魯克欄桿和卡群2座水文站河道距離(102km)及實(shí)測(cè)冰潰洪水過(guò)程，計(jì)算出的庫(kù)～卡水文站間冰潰洪峰單位河長(zhǎng)衰減率在0.035%～0.08%之間(見(jiàn)表2)，點(diǎn)據(jù)基本呈帶狀分布。

由表2可知,1880年洪水衰減率為0.064%，考慮到壩址設(shè)計(jì)校核標(biāo)準(zhǔn)的洪水量級(jí)大，因此,本次計(jì)算單位河長(zhǎng)衰減率取均值0.06%。米斯克尼水電站壩址距下游庫(kù)魯克欄桿水文站約165km，根據(jù)庫(kù)魯克欄桿水文站的設(shè)計(jì)洪峰以及單位河長(zhǎng)相對(duì)衰減率,即可推求出樞紐壩址處的設(shè)計(jì)洪峰流量。即

Q米斯克尼P=Q欄桿P-kQ欄桿P

(1)

5.2 馬斯京根法反演+河長(zhǎng)衰減法

在庫(kù)魯克欄桿水文站～卡群水文站區(qū)間,有支流塔什庫(kù)爾干河匯入，該支流基本上不會(huì)發(fā)生冰潰洪水，卡群水文站冰潰洪峰主要來(lái)自干流。挑選這2座水文站的實(shí)測(cè)冰潰洪水過(guò)程，并對(duì)這2座水文站的同場(chǎng)冰潰洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行分析，采用馬斯京根法確定庫(kù)～卡2座水文站間的K1、x；利用K1與庫(kù)～卡兩站河長(zhǎng)L1的關(guān)系，以及米～庫(kù)河長(zhǎng)L2，計(jì)算米～庫(kù)河段K2;根據(jù)K2及相應(yīng)的x,將庫(kù)魯克欄桿水文站實(shí)測(cè)洪水過(guò)程反演至米斯克尼水電站壩址處；利用反演所得到的壩址洪峰與庫(kù)魯克欄桿水文站的洪峰相減，計(jì)算出米～庫(kù)河段的單位河長(zhǎng)衰減率，以此計(jì)算壩址設(shè)計(jì)洪水。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，米～庫(kù)河段衰減率要小于庫(kù)～卡河段，流量為3 000 m3/s以下時(shí)，衰減率在0.01%～0.025%之間；流量為3 000 ～5 000 m3/s時(shí),衰減率在0.01%～0.035%之間；流量在5 000 m3/s以上時(shí),衰減率在0.015%～0.04%之間。

總體來(lái)看，隨著流量的增加，衰減率呈遞增的趨勢(shì)。在考慮安全因素的前提下，壩址設(shè)計(jì)洪水計(jì)算應(yīng)依據(jù)該趨勢(shì)取值，亦即：當(dāng)流量在10 000 m3/s以上時(shí),衰減率取0.04%;當(dāng)流量為5 000 ～10 000 m3/s時(shí),取0.035%;當(dāng)流量為3 000 ～5 000 m3/s時(shí)，則取0.025%。

5.3 24 h洪量～洪峰相關(guān)法

庫(kù)魯克欄桿水文站～卡群水文站之間有支流塔什庫(kù)爾干河匯入，而壩址～庫(kù)魯克欄桿水文站之間為峽谷河段，無(wú)大支流匯入，因此,可以認(rèn)為壩址～庫(kù)魯克欄桿水文站河段洪峰與24 h洪量關(guān)系基本一致。利用庫(kù)魯克欄桿水文站冰潰洪峰～24 h洪量關(guān)系與米斯克尼水電站壩址24 h設(shè)計(jì)洪量，可以計(jì)算出米斯克尼水電站壩址的設(shè)計(jì)洪峰流量。米斯克尼水電站壩址24 h的設(shè)計(jì)洪量則根據(jù)2座水文站的區(qū)間面積比來(lái)計(jì)算。

5.4 分析比較

3種方法計(jì)算成果見(jiàn)表3。方法3與方法2計(jì)

表3 米斯克尼水電站壩址設(shè)計(jì)洪水成果 m3/s

頻率0．01%0．02%0．05%0．10%0．20%0．50%1%2%5%10%河長(zhǎng)衰減率法23070210801847016510146101207010210841060904430馬斯京根反演+河長(zhǎng)衰減率223802045017920160101417011700990080905860417024h洪量～洪峰相關(guān)法316202551019140153801241092807440597044503560

算成果相差4%～40%，差別較大。方法3采用了庫(kù)魯克欄桿水文站峰量關(guān)系與米斯克尼水電站壩址的設(shè)計(jì)洪量來(lái)計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量，相關(guān)點(diǎn)據(jù)呈帶狀分布，相關(guān)線的擬定直接影響設(shè)計(jì)洪水成果精度；方法2是采用庫(kù)魯克欄桿水文站實(shí)測(cè)洪水過(guò)程與冰潰洪水的傳播特性,來(lái)計(jì)算壩址的設(shè)計(jì)洪峰流量，其精度較方法3的高。

方法1、2計(jì)算的成果相差約3%，差別不大。方法1是利用2座水文站的實(shí)測(cè)洪水過(guò)程，并考慮到了2座水文站間的河段衰減特性；方法2除了考慮2座水文站間的河段衰減特性以外，亦考慮了壩址～庫(kù)站河段的衰減特性。綜上所述，擬推薦將方法2的計(jì)算成果作為壩址設(shè)計(jì)洪水成果。

6 結(jié) 語(yǔ)

葉爾羌河洪水具有其獨(dú)特性，為此,采用3種方法計(jì)算米斯克尼水電站壩址的設(shè)計(jì)洪水。根據(jù)該流域地形地貌、冰潰洪水的傳播特性，推薦將運(yùn)用馬斯京根反演+河長(zhǎng)衰減法計(jì)算的成果，作為米斯克尼水電站壩址設(shè)計(jì)洪水成果。接下來(lái)，將對(duì)該工程以上流域現(xiàn)存的冰川湖數(shù)量、分布情況及容積等展開(kāi)調(diào)查，對(duì)葉爾羌河流域的洪水特性進(jìn)行深入發(fā)析研究。同時(shí)，擬對(duì)冰川湖潰決洪水與冰雪消融型洪水和暴雨型洪水相疊加組合形成的葉爾羌河可能的最大洪水過(guò)程，以及常規(guī)洪水過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，以便為該工程的校核洪水和設(shè)計(jì)洪水的擬定提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。

(編輯：趙秋云)

2015-04-09

李 悅，男，中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，工程師.

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