瑪納斯河防洪工程洪峰分析與設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

胡先林

（新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市水文勘測局，新疆烏魯木齊830001）

瑪納斯河防洪工程洪峰分析與設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

胡先林

（新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市水文勘測局，新疆烏魯木齊830001）

瑪納斯河洪水類型十分復(fù)雜，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算與分析較為困難。采用實(shí)測系列分析與還原后系列分析方法對洪峰系列進(jìn)行插補(bǔ)延長，得到瑪納斯河歷史洪水洪峰流量為5560m3/s，采用模比系數(shù)差積曲線分析法與模比系數(shù)累積平均過程線分析法對實(shí)測年最大流量樣本進(jìn)行代表性檢驗(yàn)，分析得到卡群站洪峰流量系列較長，且具有一定的代表性，將之作為參證站設(shè)計(jì)洪水依據(jù)，結(jié)合卡群站洪峰沿程變化歷程，對瑪納斯河設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，考慮歷史洪水并采用不連續(xù)系列得到的計(jì)算成果更為合理，對水利工程設(shè)計(jì)更為安全。

瑪納斯河；洪峰系列；插補(bǔ)延展；代表性分析；設(shè)計(jì)洪水

瑪納斯河發(fā)源于北天山中段依連哈比爾尕山烏代肯尼河的43號冰川，全長420 km。源頭區(qū)的冰川孕育著包括瑪納斯河在內(nèi)的河流800條，冰川面積608 km2，其中瑪納斯河是準(zhǔn)噶爾內(nèi)陸區(qū)冰川規(guī)模最大的一條河流。瑪納斯河洪水以其極高的起漲速率，異常高的洪峰值而聞名于世，洪水問題吸引了眾多中外學(xué)者，對之的研究日趨深入。經(jīng)過幾十年分析研究，表明瑪納斯河并存四種不同類型的洪水，即：（1）冰雪消融型洪水；（2）冰川“潰壩型”洪水；（3）暴雨型洪水；（4）混合型洪水，四種洪水具有不同的成因。

由于瑪納斯河洪水類型復(fù)雜，計(jì)算其設(shè)計(jì)洪水也較困難。設(shè)計(jì)洪水是水利水電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。準(zhǔn)確、具有代表性地推求設(shè)計(jì)洪水直接影響到水利工程的設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量。本文分析了瑪納斯河洪峰系列，并完成了設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。

1 洪峰系列插補(bǔ)展延

參證站卡群站、衣干其渡口站洪峰系列長度分別為57年、39年，資料系列長度均達(dá)到《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》要求，因此本次對各參證站實(shí)測洪峰系列不作插補(bǔ)展延。由于卡群站設(shè)計(jì)洪峰計(jì)算加入1880年歷史洪水，衣干其渡口站無1880年歷史洪水調(diào)查值。為各參證站設(shè)計(jì)洪峰計(jì)算方法統(tǒng)一，本次對衣干其渡口站1880年歷史洪水峰值進(jìn)行插補(bǔ)。

1.1 按實(shí)測系列分析

繪制卡群站、衣干其渡口站1972-2010年最大洪峰流量相關(guān)關(guān)系圖見圖1。由圖中相關(guān)公式：Q衣干其=0.57Q卡群+260，計(jì)算1880年衣干其渡口站歷史洪水洪峰流量Q衣1880=5470 m3/s。

圖2 卡群和衣干其渡口站還原后最大洪峰流量相關(guān)圖

圖1 卡群站～衣干其渡口站年最大洪峰流量相關(guān)關(guān)系圖

1.2 按還原后系列分析

根據(jù)《新疆瑪納斯河防洪一期工程水文分析計(jì)算》有關(guān)內(nèi)容，繪制卡群站與依干其渡口站（1967-2005年）天然洪峰系列（還原后系列）最大洪峰流量相關(guān)關(guān)系圖見圖2。由圖中相關(guān)公式：Q衣干其=0.5585Q卡群+458，計(jì)算1880年衣干其渡口站歷史洪水洪峰流量Q衣1880=5560 m3/s。

歷史洪水洪峰流量采取兩種方式推求，相對誤差最小，為了設(shè)計(jì)工程的安全，挑選較大洪峰流量作為歷史洪峰流量。

2 代表性分析

由新疆水利學(xué)會(huì)水文專業(yè)委員會(huì)2002年5月所作的《新疆瑪納斯河防洪規(guī)劃洪水水文分析計(jì)算》中，設(shè)計(jì)洪峰流量最終推薦綜合法成果，即用卡群站實(shí)測年最大流量樣本推求，此系列中含不同類型的洪水。因此本次只針對實(shí)測年最大流量樣本作代表性分析[2]。

2.1 模比系數(shù)差積曲線分析

圖3為卡群站含“潰壩型”洪水的年最大洪峰流量及消融型洪水洪峰流量系列模比系數(shù)差積曲線。從中可見曲線年際變化較消融型洪水更為劇烈,除1984-1996是較明顯的小洪水年群，1997-2008是較明顯的大洪水年群外，其它年份內(nèi)一般為5-6年周期規(guī)律，但均有較完整的增減水過程[3]。

圖3 卡群站洪峰流量模比系列差積曲線圖

2.2 模比系數(shù)累積平均過程線分析

由圖4可見，當(dāng)系列長度在20年以上，自2010年向前推對含“潰壩型”洪水的年最大洪峰流量模比系數(shù)累積曲線在1上下波動(dòng)，波幅小于5%。當(dāng)系列長度在33年以上時(shí)，模比系數(shù)累積曲線穩(wěn)定趨近于1，波幅小于2%，也已具有較好的代表性。

圖4 卡群站洪峰流量模比系數(shù)累積平均過程線

2.3 長短系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)對比分析

從表1中可以看出，隨著洪水資料系列長度的增加，Cv值與均值漸趨穩(wěn)定，當(dāng)系列長達(dá)20年以上，均值相對誤差為0.0%～4.53%之間，Cv值相對誤差為0.0%～-6.5%之間，系列已具有較好的代表性。相應(yīng)的依干其渡口站有39年（1972～2010年）實(shí)測洪峰系列，也具有較好的代表性。

綜合上述分析，卡群站洪峰流量系列較長，且具有一定的代表性，將之作為參證站設(shè)計(jì)洪水依據(jù)，以及用之反映瑪納斯河洪峰流量年際變化的一般規(guī)律，是較可靠的[4]。

表1 卡群站不同長度洪峰系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)對照表單位：m3/s

3 洪峰沿程變化分析

卡群水文站以上是瑪納斯河的主要產(chǎn)洪區(qū)，與上游庫魯克欄干站相距102 km，集水面積相差17320 km2，區(qū)間有塔什庫爾干河和其他五條小支流匯入，由于一次天氣過程引發(fā)的融雪洪水或暴雨洪水往往是全流域性的，因此，卡群站洪峰流量由于集水面積的增加大于上游庫魯克欄干站的洪峰流量，兩站屬于融雪或暴雨洪水類型的年最大洪峰系列相關(guān)見圖5。而當(dāng)瑪納斯河發(fā)生潰壩性洪水時(shí)，庫魯克欄干站和卡群站之間集水區(qū)域并無較大洪水匯入，受沿程洪水波的坦化作用，卡群站洪峰流量小于上游庫魯克欄干站的洪峰流量，見圖6。將潰壩性洪水與其他類型洪水分別進(jìn)行相關(guān)分析，無論從成因和效果都是合理的[5]。

圖5 卡群和庫魯克欄干站其他類型洪水最大洪峰流量相關(guān)圖

圖6 庫魯克欄干和卡群站潰壩性型洪峰流量相關(guān)圖

瑪納斯河各參證站年最大洪峰流量相關(guān)分析成果見表2。

4 參證站設(shè)計(jì)洪水

依照《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》，在采用矩法對系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)估算的基礎(chǔ)上，采用P-Ⅲ型頻率曲線，頻率分析計(jì)算各參證站不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量。實(shí)測洪峰選樣采用年最大值法，并采用實(shí)測連續(xù)序列頻率分析和加入瑪納斯河1880年歷史洪水以不連續(xù)序列頻率分析兩種方法進(jìn)行各參證站設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算。

4.1 實(shí)測連續(xù)序列頻率分析

卡群站1954～2010年、衣干其渡口站1972～2010年還原后年最大洪峰流量連續(xù)系列P-Ⅲ型頻率曲線見圖7，統(tǒng)計(jì)參數(shù)、適線參數(shù)及不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量成果統(tǒng)計(jì)見表3。

4.2 加入歷史洪水不連續(xù)系列頻率分析計(jì)算

對卡群站1954～2010年、衣干其渡口站1972～2010年還原后年最大洪峰流量連續(xù)加入1880年歷史洪水峰值，采用不連續(xù)系列頻率分析計(jì)算其設(shè)計(jì)洪峰。

表2 瑪納斯河各參證站年最大洪峰流量相關(guān)分析成果表

表3 各站實(shí)測系列洪峰流量統(tǒng)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)洪水成果

圖7 卡群站1954～2010年洪峰流量連續(xù)系列頻率曲線圖

具體計(jì)算公式如下：

剔除特大值的連序系列按下式計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率：

上式中：M為特大值排序；N為特大值重現(xiàn)值；L為連序系列中特大值個(gè)數(shù)；a為特大值個(gè)數(shù)。

對于不連序系列，各樣本矩及統(tǒng)計(jì)參數(shù)的計(jì)算公式為：

表4 各站加入歷史洪水洪峰流量統(tǒng)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)洪水成果

表5 參證站設(shè)計(jì)洪峰兩種方法計(jì)算成果比較表

各參證站實(shí)測系列洪峰均遠(yuǎn)小于1880年歷史洪水峰值，因此實(shí)測系列無特大洪水提出。加入1880年歷史洪水峰值后，統(tǒng)計(jì)參數(shù)、適線參數(shù)及不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量成果統(tǒng)計(jì)見表4。

比較表3和表4采用連續(xù)序列與加入1880年歷史洪水后不連續(xù)序列計(jì)算的各參證站設(shè)計(jì)洪峰成果。各站不同頻率連續(xù)系列計(jì)算成果較不連續(xù)系列偏小1.4%～9.9%，具體見表5。

由表中可見，加入歷史洪水后采用不連續(xù)系列計(jì)算成果更為合理，對水利工程設(shè)計(jì)更為安全，因此，本次各參證站設(shè)計(jì)洪峰取不連續(xù)系列計(jì)算成果，見表4。

5 結(jié)語

由于瑪納斯河洪水類型復(fù)雜，計(jì)算其設(shè)計(jì)洪水也較困難，本文對瑪納斯河各參證站實(shí)測洪峰系列不作插補(bǔ)展延，計(jì)算得到衣干其渡口站、歷史洪水洪峰流量Q衣1880=5560 m3/s。并針對實(shí)測年最大流量樣本作代表性分析。分析得到卡群站洪峰流量系列較長，且具有一定的代表性，將之作為參證站設(shè)計(jì)洪水依據(jù)。并結(jié)合洪峰沿程變化分析結(jié)果，對參證站設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行了計(jì)算，得到了歷史洪水洪峰流量統(tǒng)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)洪水成果表。由于由于瑪納斯河洪水類型復(fù)雜，還需采用PMP等設(shè)計(jì)洪水推求方法計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)果，驗(yàn)證本次計(jì)算的合理性與可靠性。

[1]郭生練,劉章君,熊立華.設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法研究進(jìn)展與評價(jià)[J].水利學(xué)報(bào),2016,(03):302-314.

[2]高鑫磊.泃洳河流域設(shè)計(jì)洪水研究[D].清華大學(xué),2015.

[3]閆寶偉,郭生練,郭靖,陳璐,劉攀,陳華.基于Copula函數(shù)的設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2010,(06):60-65.

[4]王國安.中國設(shè)計(jì)洪水研究回顧和最新進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào),2008,(21): 85-89.

[5]周芬.設(shè)計(jì)洪水估算方法的比較研究[D].武漢大學(xué),2004.

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1673-9000（2017）04-0076-03

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胡先林（1982-），男，漢族，四川廣元人，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事水利規(guī)劃與水文計(jì)算工作。