開(kāi)都河和托什干河梯級(jí)地區(qū)洪水組成分析

馬永紅，劉國(guó)慶

1 流域概況

開(kāi)都河流域位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)，為塔里木河的四大源流之一。開(kāi)都河為一內(nèi)陸河流，發(fā)源于海拔4315 m的天山山脈中部依連哈比爾尕山南麓薩爾明山，流經(jīng)大小尤爾都斯盆地巴音布魯克大草原，中游穿越呼斯臺(tái)西里至大山口的峽谷段，區(qū)間匯入的較大支流有：薩很托亥、霍爾古圖、察汗烏蘇等河流，出山口后流向東南，注入博斯騰湖。河流全長(zhǎng)525 km，博斯騰湖以上流域面積22550 km2，大山口水文站以上流域面積18740 km2。

托什干河是新疆南疆第一大河阿克蘇河的兩大支流之一（阿克蘇河兩大支流分別為托什干河和庫(kù)瑪拉克河），其發(fā)源于吉爾吉斯斯坦共和國(guó)境內(nèi)的闊科沙嶺山脈，在阿克蘇市西大橋以上12.4 km處的喀拉都維處與庫(kù)瑪拉克河匯合，始稱(chēng)阿克蘇河。托什干河由吉爾吉斯斯坦進(jìn)入我國(guó)后，分別流經(jīng)克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃莸陌⒑掀婵h和阿克蘇地區(qū)的烏什縣。托什干河從河源至與庫(kù)瑪拉克河匯合口全長(zhǎng)457 km（其中我國(guó)境內(nèi)全長(zhǎng)361.5 km），河道平均坡降5.5‰，沙里桂蘭克水文站以上集水面積19166 km2（其中吉爾吉斯斯坦境內(nèi)集水面積8170 km2），多年平均年徑流量28.35億 m3。

2 洪水成因

2.1 暴雨特性

開(kāi)都河流域的暴雨成因，從環(huán)境形勢(shì)與天氣系統(tǒng)而言，多屬于“北高南低型”，此環(huán)流形勢(shì)北部為高壓脊，南部為低壓槽式低渦。流域地形向南傾斜開(kāi)口，為偏西方向水汽的迎風(fēng)坡，是新疆暴雨多發(fā)生地區(qū)之一。在本區(qū)域內(nèi)無(wú)明顯的長(zhǎng)歷時(shí)（24小時(shí)）暴雨中心位置，降雨高值區(qū)多沿等高線分布。降雨強(qiáng)度以及雨區(qū)中心的位置，具有較大的偶然性。

阿克蘇河流域各干支流是以冰雪消融補(bǔ)給為主的河流，盛夏大規(guī)模的冰雪消融是河流洪水形成的最基本原因，此外，該流域又是新疆的集中降雨區(qū)之一，暴雨洪水發(fā)生的頻次較高，其中，由于托什干河集水面積中所含中低山區(qū)的集水面積相對(duì)較大，暴雨洪水發(fā)生的頻次高于支流庫(kù)瑪拉克河。

2.2 區(qū)間洪水劃區(qū)

開(kāi)都河與托什干河相似，中游河段上下游都有兩個(gè)水文站控制，開(kāi)都河上游為薩恨托海水文站，下游為大山口水文站；托什干河上游為契恰爾水文站，下游為沙里桂蘭克水文站。

分析已有的實(shí)測(cè)降雨、洪水資料，開(kāi)都河的洪水主要產(chǎn)生于薩恨托海至大山口區(qū)間，大洪水一般主要為暴雨形成，而一般中小洪水多為冰雪消融形成及降雨和冰雪融化所形成。前種類(lèi)型的洪水陡漲陡落，后種類(lèi)形的洪水漲落緩慢，且連續(xù)數(shù)天，峰、谷有明顯的周期變化。

開(kāi)都河的暴雨中心在薩恨托海站～大山口站區(qū)間，其中主要在薩恨托海站～哈爾嘎廷郭勒梯級(jí)之間，而哈爾嘎廷郭勒梯級(jí)以下雨量銳減，且梯度較大。為了便于推求薩恨托海站～大山口站區(qū)間各規(guī)劃梯級(jí)的洪水，故考慮薩恨托海站～大山口站區(qū)間劃分為兩雨區(qū)：薩恨托海站～大山口站區(qū)間總面積為3976 km2，即薩恨托?！柛峦⒐仗菁?jí)為一分區(qū)，匯水面積為1987 km2，而哈爾嘎廷郭勒梯級(jí)～大山口站為二分區(qū)，匯水面積也為1989 km2，兩個(gè)分區(qū)的匯水面積各占薩恨托海站～大山口站區(qū)間面積的近二分之一。

一分區(qū)基本為年降水量400 mm等值線包圍的范圍，區(qū)內(nèi)雨量梯度不大，二分區(qū)的年降水量范圍水量由400 mm降至100 mm左右，為開(kāi)都河雨量梯度大值區(qū)。但是鑒于實(shí)測(cè)資料所限，薩恨托海站～大山口站之間的雨量梯度按直線變化處理。

根據(jù)薩恨托海及大山口兩站七場(chǎng)大雨實(shí)測(cè)資料繪制雨量概化線（直線），即兩站雨量分別除以薩恨托海站雨量。并有七場(chǎng)概化線進(jìn)行綜合，求繪一條代表線。一分區(qū)中心讀數(shù)0.87，二分區(qū)中心讀數(shù)0.54，則一分區(qū)占的比例為0.62，二分區(qū)為0.38，各梯級(jí)比例系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各梯級(jí)面積占分區(qū)比例及系數(shù)K值表

假定薩恨托海站～大山口站區(qū)間洪水的產(chǎn)洪系數(shù)相等，假定在同一個(gè)分區(qū)內(nèi)產(chǎn)洪量是均勻的，則薩～大區(qū)間的洪水量中有62%來(lái)自一分區(qū)，38%來(lái)自二分區(qū)，這樣只要求出薩～大區(qū)間洪水量值，即可求得一、二分區(qū)的洪水量值。

3 開(kāi)都河、托什干河中游河段地區(qū)洪水組成

圖1 開(kāi)都河中游河段各梯級(jí)洪水量值分析圖

圖1 中橫坐標(biāo)代表開(kāi)都河中游河段薩恨托海水文站和大山口水文站之間各梯級(jí)的集水面積，縱坐標(biāo)代表水文站及各梯級(jí)洪水量值。

考慮薩大區(qū)間洪水的不均勻性，薩大區(qū)間洪水分為兩個(gè)分區(qū)。圖1中AC段表示薩恨托海水文站獨(dú)立選樣洪水量值；BD段表示大山口水文站獨(dú)立選樣洪水量值；CK表示一分區(qū)暴雨洪水的梯度變化，一分區(qū)暴雨集中，洪水梯度變化較大；KD表示二分區(qū)暴雨洪水的梯度變化；DE表示薩大同頻，相減得區(qū)間相應(yīng)洪水；CK、KD與各梯級(jí)縱線相交點(diǎn)表示各梯級(jí)洪水量值。圖中各線段的相對(duì)位置符合各水文站及各梯級(jí)洪峰、各時(shí)段洪量場(chǎng)次洪水的變化規(guī)律，也符合峰、量的均值及各頻率設(shè)計(jì)洪水的變化規(guī)律。

3.1 地區(qū)洪水組成

三種組合方式：

（1）薩恨托海水文站和大山口水文站同頻，區(qū)間相應(yīng)；

（2）薩恨托海水文站和大山口水文站區(qū)間與大山口水文站同頻，薩恨托海水文站相應(yīng)；

（3）薩恨托海水文站和大山口水文站區(qū)間與薩恨托海水文站同頻，大山口水文站相應(yīng)。

3.2 開(kāi)都河地區(qū)洪水組成各組合洪水分析

第（3）種組合方式由于樣本的選取是以薩恨托海水文站為主，薩恨托海水文站融雪洪水量值較小，考慮匯流時(shí)間差10小時(shí)后，相應(yīng)大山口水文站洪水，這一洪水遠(yuǎn)小于第（1）種組合中BD段大山口水文站獨(dú)立選樣洪水量值，因此無(wú)論區(qū)間洪水還是各梯級(jí)洪水，計(jì)算的量值都很小，第（3）種組合方式不是安全的組合方式。

第（2）種組合方式薩大區(qū)間洪水量值較大，區(qū)間洪水可計(jì)算得較為準(zhǔn)確，但是我們的目的是計(jì)算各梯級(jí)洪水，需將區(qū)間洪水與薩恨托海水文站疊加，或大山口水文站與區(qū)間洪水相減，才能得到各梯級(jí)洪水。這樣就出現(xiàn)了與薩恨托海水文站如何疊加的問(wèn)題。

經(jīng)分析試算，三種疊加方式多為不安全的組合方式，因此第（2）種組合方式不為安全的組合方式。

第（1）種組合方式CK、KD表示的各梯級(jí)洪水從量值上分析是安全的，從水量上論證，在考慮區(qū)間洪水不均勻性的基礎(chǔ)上各梯級(jí)洪水不會(huì)出現(xiàn)倒置，符合水量平衡原理。因此采用第（1）種組合方式計(jì)算各梯級(jí)洪水。

3.3 托什干河地區(qū)洪水組成各組合洪水分析

圖2 阿克蘇河托什干河中游河段各梯級(jí)洪水量值分析圖

對(duì)于阿克蘇河托什干河中游河段各梯級(jí)洪水的分析從圖2可看出：托什干河中游河段與開(kāi)都河中游河段相似，托什干河中游河段也有兩個(gè)水文站控制，上游有契恰爾水文站，下游有沙里桂蘭克水文站。所不同的是區(qū)間下游有支流玉山古西河匯入，算上水文站和支流匯入，共有11個(gè)控制斷面。玉山古西河上有3個(gè)梯級(jí)。圖2中KY、KY1、KY2分別表示玉山古西水利樞紐、玉山湖一級(jí)、玉山湖二級(jí)。

地區(qū)洪水組成也有三種組合方式與開(kāi)都河中游河段不同的是區(qū)間暴雨較為均勻，不分區(qū)，但有玉山古西河匯入，三種地區(qū)洪水結(jié)果有不同的變化。

第（2）種組合方式契沙區(qū)間洪水量值較大，為了計(jì)算各梯級(jí)洪水，需將區(qū)間洪水與契恰爾水文站疊加，或沙里桂蘭克水文站與區(qū)間洪水相減，才能得到各梯級(jí)洪水。同樣會(huì)出現(xiàn)了與契恰爾水文站如何疊加的問(wèn)題。

SS′區(qū)間洪水如果與第（2）種組合方式契恰爾水文站相應(yīng)的AQ′段洪水疊加，各梯級(jí)洪水沿 Q′K′、K′S 增加，顯然小于第（1）種組合方式，各梯級(jí)洪水沿QK、NS增加的量值。顯然第（2）種組合方式計(jì)算的各梯級(jí)洪水量值偏小，不安全。如果增加契沙區(qū)間洪水量值，必然要減少玉山古西河各梯級(jí)洪水量值，因?yàn)樯忱锕鹛m克水文站控制了上游兩河來(lái)水。如果不減少玉山古西河洪水量值，契沙區(qū)間各梯級(jí)洪水量值就會(huì)增加，與玉山古西河洪水量值疊加，必然大于沙里桂蘭克水文站實(shí)測(cè)最大獨(dú)立選樣洪水，洪量計(jì)算不滿足水量平衡原理，洪峰計(jì)算無(wú)法說(shuō)明各梯級(jí)與水文站的相互關(guān)系。SS′區(qū)間洪水如果與第（1）種組合方式契恰爾水文站相應(yīng)的AQ段洪水疊加，因?yàn)镾S′的由來(lái)是契恰爾水文站相應(yīng)的AQ′段洪水，SS′區(qū)間應(yīng)與AQ′段洪水疊加。若要SS′區(qū)間洪水與AQ段洪水疊加，各梯級(jí)洪水沿QK″、K″S″變化。若玉山古西河洪水量值不變，結(jié)果托什干河各梯級(jí)洪水量值較大，到沙里桂蘭克水文站斷面得BS″段洪水，大于沙里桂蘭克水文站實(shí)測(cè)最大獨(dú)立選樣洪水量值，顯然不合理。大出的 SS″洪水與第（1）、第（2）種組合方式區(qū)間洪水差值QQ′相等。顯然是SS′區(qū)間洪水與最大獨(dú)立選樣契恰爾水文站疊加帶來(lái)的差值。同樣各梯級(jí)洪水按QK″、K″S″分布，則在別迭里梯級(jí)洪水量值會(huì)出現(xiàn)倒掛，也就是這級(jí)洪水大于沙里桂蘭克水文站實(shí)測(cè)最大獨(dú)立選樣洪水，這級(jí)與沙里桂蘭克水文站區(qū)間洪水為負(fù)值。因此是不合理的。

4 結(jié)論

通過(guò)兩河段地區(qū)洪水組成圖解說(shuō)明，各梯級(jí)洪水量值分析，第（1）種組合方式即上下游水文站同頻，區(qū)間相應(yīng)的組合方式計(jì)算的各梯級(jí)洪水從量值上分析是安全的，從水量上論證，在考慮區(qū)間洪水不均勻性的基礎(chǔ)上各梯級(jí)洪水不會(huì)出現(xiàn)倒置，符合水量平衡原理，從理論分析到實(shí)測(cè)驗(yàn)證都是合理可靠的。因此第（1）種組合方式是較優(yōu)、安全的。