膘爾托闊依河引水渠工程設(shè)計洪水計算方法探析

扎地拜克·依沙克江

（新疆維吾爾自治區(qū)克孜勒蘇水文勘測局，新疆 阿圖什 845000）

膘爾托闊依河是新疆克孜河右岸的一條較大支流，流域面積1427 km2。為加快畜牧業(yè)的發(fā)展和廣大農(nóng)牧民脫貧致富奔小康的步伐，克孜勒蘇自治州黨委提出從膘爾托闊依河引水灌溉，在膘爾托闊依河匯入克孜河口右岸的山間平原盆地開發(fā)建設(shè)5×104畝草料基地。為了確保引水渠安全建設(shè)，需對工程處設(shè)計洪水進(jìn)行分析。

1 流域概況

膘爾托闊依河位于克孜勒蘇柯爾克孜自治州烏恰縣境內(nèi)，發(fā)源于帕米爾高原北部的昆蓋山中段北坡，西鄰克孜河上游支流瑪爾坎蘇河，東南與蓋孜河支流且木干河為鄰，南部為昆蓋山區(qū)，北部為克孜河。流域內(nèi)高山、盆地相間，冰川資源較為豐富。河流在注入克孜河匯合口以上絕大部分由山地和山間盆地組成，山前傾斜平原和沖洪積扇面積很小。膘爾托闊依河屬暖溫帶大陸性氣候，在高山區(qū)，年降水量在235 mm～800 mm 左右，中低山區(qū)年降水量115 mm～165 mm，平原區(qū)，年降水量都在100 mm 以下。出山口后由西南流向東北，在克孜河卡拉貝利水文站上游12 km 處匯入克孜河，全長57 km，匯合口以上流域總面積1427 km2，河道平均坡降37.6‰。

2 參證站洪水分析

2.1 參證站確定

膘爾托闊依河無基本水文站，克孜勒蘇水文水資源局曾于1989 年4 月～1990 年3 月在該河的出山口處設(shè)立過專用站，進(jìn)行了為期一年的水位、流量、懸移質(zhì)泥沙、水化學(xué)測驗(yàn)。為滿足本次水文分析計算對水文基本資料的要求，選取并采用同一氣候分區(qū)內(nèi)水文站和一些鄰近水文站作為參證站進(jìn)行分析比較。選取的水文測站主要有維他克河維他克站、蓋孜河克勒克站及庫山河沙曼站等，各站的基本情況見表1。

表1 選取水文站基本情況分布一覽表

這些水文站的資料截止年份為2020 年。所有基本水文資料均按相關(guān)國標(biāo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測整編而獲得，資料精度較高。經(jīng)過比較分析，現(xiàn)以同位于帕米爾高原昆蓋山北坡、屬同一氣候分區(qū)，下墊面條件也基本類同，徑流形成及其水文特征有其共同性的維他克河維他克站作為參證站進(jìn)行設(shè)計洪水計算。

2.2 參證站洪水分析

維他克河已監(jiān)測有累積37 a 實(shí)測洪水資料，基本滿足工程水文分析計算的要求。通過資料系列分析，維他克河洪水一般分為冰雪消融洪水和降水、冰雪融水混合型洪水兩大類。

1）冰雪消融洪水特性

峰形有顯著的日變化，一日一峰，呈鋸齒狀。洪水發(fā)生時間集中在4 月～9 月，洪峰流量值不大，一般洪峰流量為10 m3/s～30 m3/s，最大洪峰流量一般不超過100 m3/s,年最大洪峰流量50 m3/s 左右，占多年統(tǒng)計值的80%以上。洪水歷時長，如1966年第一次長歷時消融洪水為30 天，第二次長歷時消融洪水歷時67 天，兩次消融洪水洪峰流量分別為63.2 m3/s 和45.1 m3/s。

2）混合型洪水特性

在消融型洪水期間若出現(xiàn)降水天氣，就會在較平穩(wěn)的鋸齒之間出現(xiàn)一個陡漲陡落的尖峰，形成混合型洪水。暴雨混合型洪水發(fā)生的頻次低，37 年洪水資料中，較大的暴雨洪水只發(fā)生一次，洪峰流量值為403 m3/s，其余在消融洪水過程中伴隨降雨洪水時，洪峰流量最大只有172 m3/s。

2.3 歷史洪水調(diào)查

維他克河作為蓋孜河的一條支流，歷史洪水對水文分析及工程規(guī)劃具有重要作用，1961 年喀什水文水資源局曾組織進(jìn)行過該河的歷史洪水調(diào)查工作，其調(diào)查成果見表2。

表2 維他克河歷史洪水調(diào)查成果表

3 工程處洪水分析計算

3.1 洪水類型及洪水特征

依據(jù)膘爾托闊依站一年的實(shí)測資料，膘爾托闊依河洪水從成因上分析，主要有冰雪消融型洪水（含季節(jié)性積雪）、暴雨洪水及混合型洪水兩類。洪水特性與參證站維他克河洪水特性基本一樣。

3.2 工程處洪水調(diào)查及考證

1999 年7 月底8 月初，膘爾托闊依河發(fā)生歷史大洪水，洪水由降水與冰川融水混合而成，洪災(zāi)損失嚴(yán)重。洪水過后，克孜勒蘇水文水資源勘測局及時組織了洪水調(diào)查。據(jù)調(diào)查資料，該河發(fā)生洪水的時間是在7 月28 日～31 日，大洪水前氣溫高，天氣熱，膘爾托闊依山區(qū)從7 月27 日～31 日連續(xù)降雨，尤以7 月30 日下午降水量最大。膘爾托闊依河28 日開始漲水，最大洪水發(fā)生在31 日上午，持續(xù)到當(dāng)日中午14 時左右開始消退。

洪水調(diào)查測量斷面選在膘爾托闊依河入克孜河匯合口以上約500 m 處（即在擬建渠首處附近），該河段順直，水流集中，洪痕清晰，采用比降～面積法，估算洪峰流量為746 m3/s。洪水調(diào)查成果見表3。

表3 膘爾托闊依河洪水調(diào)查成果表

經(jīng)走訪調(diào)查當(dāng)?shù)厝罕?，并考證了與膘爾托闊依河相鄰的維他克河、卡浪溝呂克河等臨近河流，確定1999 年發(fā)生的洪水為1959 年以來最大的一場洪水，其調(diào)查考證期為62 a。另據(jù)調(diào)查，歷史上膘爾托闊依河在1948 年發(fā)生過大洪水，但無量級和排位，1999 年洪水大于1948 年歷史洪水與克孜勒蘇水文水資源勘測局對鄰近河流1999 年洪水調(diào)查考證期的推斷基本一致。故確定膘爾托闊依河1999 年洪水的考證期為62 a，此次調(diào)查洪水重現(xiàn)期為考證期61+1=62 a，計算得此次洪水頻率為1.59。

3.3 設(shè)計洪水計算

膘爾托闊依河僅有一年實(shí)測洪峰流量資料和一次洪水調(diào)查資料，無法依靠該站水文資料進(jìn)行設(shè)計洪峰流量計算。現(xiàn)采用多種方法進(jìn)行分析，以論證其合理性。

3.3.1 綜合頻率曲線法估算設(shè)計洪水

采用參證站和鄰近站的維他克河維他克站、蓋孜河克勒克站和庫山河沙曼站、克孜河卡拉貝利站實(shí)測和調(diào)查資料，計算各站歷年最大洪峰流量模比系數(shù)，繪制綜合頻率曲線，見圖1。

利用此圖可求得不同頻率的Kp值，進(jìn)而推求設(shè)計斷面的洪峰流量值。其計算公式如下：

式中：Qp為設(shè)計頻率洪峰流量，m3/s；Kp為設(shè)計洪峰流量模比系數(shù)；Kd為調(diào)查歷史洪水模比系數(shù)；Qd為調(diào)查歷史洪水洪峰流量值，m3/s。

圖1 流域年最大洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線

式中相關(guān)參數(shù)取值見表4，以此推求的膘爾托闊依河設(shè)計洪峰流量見表4。

表4 膘爾托闊依站設(shè)計洪峰流量計算成果表

3.3.2 參證站洪峰模數(shù)估算設(shè)計洪水

由于膘爾托闊依河與維他克河是處于同一氣候分區(qū)的相似流域，其洪水的形成具有相似性，故直接移用參證站洪峰、洪量相同頻率的洪峰模數(shù)估算膘爾托闊依河設(shè)計洪水。維他克站洪峰模數(shù)法計算成果見表5。

設(shè)計洪峰流量按下式計算

式中：Qp為工程場址的設(shè)計洪峰流量，m3/s；Mcp為參證站設(shè)計洪峰流量模數(shù)，m3/（s·km2）；Fg為工程場址以上集水面積，1400 km2。按此方法估算的工程場址處設(shè)計洪水成果見表5。

表5 膘爾托闊依站設(shè)計洪水計算成果表

由于膘爾托闊依河和維他克河流域降水形式、流域下墊面組成、河道坡降等差異較大，經(jīng)綜合比較、分析產(chǎn)匯流規(guī)律、洪水特征，洪峰模數(shù)法計算成果可能偏大?？κ哺翣柡恿饔?999 年發(fā)生了特大洪水，喀什、克孜勒蘇水文水資源局及時作了洪水調(diào)查，調(diào)查時洪痕清晰，比較可靠，采用地區(qū)綜合大大增進(jìn)了系列的代表性，對提高設(shè)計洪水成果的質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。因此推薦使用綜合頻率曲線法設(shè)計成果。

3.4 設(shè)計洪水成果的合理性分析

本次設(shè)計洪水計算成果的合理性，可從以下方面說明。

（1）選用資料可靠，膘爾托闊依河雖只有一年觀測資料，但選用的參證站和引用的鄰近站資料，都是國家基本水文站的資料，資料年限較長，實(shí)測水文資料經(jīng)新疆水文水資源局審查，符合《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》《水文資料整編規(guī)范》《水文資料刊印規(guī)范》等國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并已刊印或錄入國家水文數(shù)據(jù)庫，資料成果可靠。

（2）喀什噶爾河流域1999 年發(fā)生了特大洪水，喀什、克孜勒蘇水文水資源局及時作了洪水調(diào)查。此次洪水峰高量大，調(diào)查及時，洪痕清晰，成果比較可靠。為參證站設(shè)計洪水的計算和地區(qū)綜合大大增進(jìn)了系列的代表性，對提高設(shè)計洪水成果的質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。無疑也提高了工程場址區(qū)的設(shè)計洪水成果的可靠性。

4 結(jié)語

膘爾托闊依河缺乏水文資料，為了確保引水渠的安全性。本次設(shè)計洪水計算，采用兩種方法分析，即地區(qū)洪峰流量綜合頻率曲線法、洪峰模數(shù)法，經(jīng)對兩者計算成果比較，洪峰模數(shù)法計算成果偏大，建議工程場址設(shè)計洪水采用地區(qū)洪峰流量綜合頻率曲線法計算成果。本文分析計算成果可為無水文資料區(qū)工程建設(shè)設(shè)計洪水分析計算提供借鑒。