鄯善縣吐峪溝大峽谷防洪堤防洪水分析

張衛(wèi)東

（新疆烏斯?jié)M水文站，新疆 庫爾勒 841000）

1 概況

位于鄯善縣境內(nèi)火焰山中段的吐峪溝大峽谷，是橫跨火焰山的一條平均寬度約1 km的峽谷，面積約為12 km2,峽谷東西兩側(cè)附近分布9條間歇性無名洪溝，發(fā)生暴雨時引發(fā)泥石流洪水嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)厝罕娚敭a(chǎn)安全。大峽谷屬于火焰山以南氣候區(qū)，日照充足，降水極少，氣候異常燥熱，是典型的火洲氣候。全年平均降雨量僅為16.0 mm，最大降雨量為48.4 mm（1958年），多年平均年總蒸發(fā)量為2646.8 mm。為了規(guī)劃堤防建設(shè)要求，需對洪水成因、產(chǎn)匯流以及工程處設(shè)計洪峰進行分析計算。

2 洪水成因與特性

2.1 洪水成因

吐峪溝大峽谷洪水屬突發(fā)性暴雨洪水，主要由大尺度天氣系統(tǒng)過境造成，加之前期連續(xù)高溫后，受南支氣流低槽影響，南支氣流充沛的水汽和冷空氣配合，隨冷空氣沿西北山區(qū)攜帶大量水汽入境，由于鋒面活躍，低溫系統(tǒng)較厚，氣流移動速度緩慢，因此，在火焰山一帶造成一定范圍的暴雨，隨之形成洪水。

2.2 洪水特性

吐峪溝大峽谷附近洪溝為間歇性干溝，山區(qū)極度干燥，在出現(xiàn)持續(xù)性降水和較大雨強的局地暴雨時，流域形成超滲產(chǎn)流，從而發(fā)生暴雨泥石流洪水。此類洪水多發(fā)生在6~8月份之間，由于山區(qū)基本無植物，山體為泥質(zhì)細土，地面組織物質(zhì)疏松，加之坡度較大，遭小暴雨時易形成泥石流，洪水破壞性極大。

3 歷史洪水調(diào)查

通過調(diào)查了解，吐峪溝大峽谷兩側(cè)分布數(shù)條洪溝，從北向南依次分別命名為 1、2、3、4、5、6、7、8、9 號洪溝，洪溝面積為10.6 km2，最高海拔高程為795 m。由于該溝位于火焰山中低山內(nèi)，河床由砂礫石和粘土組成，該溝遇到持續(xù)性降水或較大雨強的局地暴雨時（5 mm以下），會形成暴雨泥石流洪水，流入吐峪溝鄉(xiāng)各鄉(xiāng)村。吐峪溝大峽谷西北部火焰山山脈分布4條洪溝一般無水流，沒有任何水文觀測記錄，經(jīng)洪水調(diào)查訪問知，1973~2016年為止，發(fā)生了三場較大洪水，即1973年、2014年、2016年，其中1973年洪水最大，2014年洪水為二，2016年排三。本次吐峪溝引水渠調(diào)查斷面離1號洪溝出山口1.73 km，離4號洪溝出山口僅0.83 km，中間無匯入和流出，因此，采用吐峪溝引水渠7月24日調(diào)查洪峰流量洪峰模數(shù)5.05 m3/s·km2分別估算出1、2、3、4、5號洪溝的7月24日發(fā)生洪峰流量。洪溝1、2、3、4、5 集水面積分別 為 0.16 km2、0.22 km2、0.23 km2、0.81 km2、0.67 km2，其估算洪峰流量為計算成果分別為27.3 m3/s、0.81 m3/s、1.11 m3/s、1.16 m3/s、4.09 m3/s。

本次洪水調(diào)查大峽谷9號洪溝2016年洪峰流量為15.7 m3/s，同樣原理，用9號洪溝2016年調(diào)查流量峰模數(shù)來估算大峽谷西側(cè) 6、7、8、9號洪溝2016年洪峰流量分別為3.38 m3/s、7.83 m3/s、14.0 m3/s、9.96 m3/s。

4 設(shè)計洪水分析計算

4.1 吐峪溝大峽谷洪水計算思路確定

吐峪溝大峽谷洪水從9條峪溝沖出，分別流入到項目區(qū)各防洪段，因此，首先計算各洪溝的設(shè)計成果后再計算各防洪段設(shè)計成果。防洪堤防分布在大峽谷東西兩側(cè)分5段，為了方便計算，分別命名為 A、B、C、D、E 防洪段。為了防洪設(shè)計安全，1、2號洪溝設(shè)計洪水成果合計作為A防洪段設(shè)計成果。2、3號洪溝設(shè)計洪水成果合計作為B防洪段設(shè)計成果。4號洪溝設(shè)計成果作為B防洪段設(shè)計成果。西邊4號至9號洪溝來洪水時都影響到D防洪段不同段,所以把D防洪段分成3段（即D節(jié)點1、節(jié)點2和節(jié)點3），作為D防洪段的設(shè)計成果。引水渠調(diào)查斷面設(shè)計成果加D防洪段節(jié)點2和7號洪溝設(shè)計成果疊加作為E防洪段設(shè)計成果。

4.2 參證站的確定及設(shè)計洪水計算

吐峪溝防洪壩工程項目區(qū)附近有煤窯溝基本水文站和二塘溝專用站及高昌區(qū)氣象站，本次設(shè)計洪水計算采用煤窯溝和二塘溝及高昌區(qū)氣象站作為參證站。由于煤窯溝水文站1969年洪水過程峰高量不大，年最大1日洪量雖然排位第一，但接近2005年1日洪量；而3日洪量比2005年相應(yīng)值小，41年洪水系列中，2005年年最大3日洪量排位第一。因此，本次計算以（1976～2015年）40年連續(xù)系列進行各時段設(shè)計洪量計算。煤窯溝站年最大洪峰按41年不連續(xù)系列公式計算，計算結(jié)果見表1。根據(jù)新疆水文專業(yè)委員會評審?fù)ㄟ^的“鄯善縣二塘溝色爾克甫水庫工程水文分析計算”報告，采用兩場調(diào)查洪水計算成果之算數(shù)平均值，作為二塘溝專用水文站設(shè)計洪水依據(jù)，見表1。

表1 煤窯溝水文站、二塘溝專用站設(shè)計洪峰流量成果表

4.3 大峽谷東西兩側(cè)各洪溝設(shè)計洪水計算

4.3.1 洪峰模數(shù)法

由于吐峪溝設(shè)計流域集水面積遠小于參證流域，面積相差較顯著，因此用面積比指數(shù)進行修正。煤窯溝、二塘溝站作為參證站時n值取0.67（2/3）（n值為新疆地區(qū)經(jīng)驗系數(shù)），各洪溝設(shè)計洪水計算成果見表2。

4.3.2 推理公式法

根據(jù)吐魯番降水量等值線圖，吐峪溝鄉(xiāng)降水量在于25 mm至50 mm之間。為了設(shè)計安全考慮，用煤窯溝站1978~2014年實測最大1日和24小時點降水量系列進行頻率計算，得出多年平均最大1日和最大24小時降雨量、Cv、Cs及各頻率設(shè)計值。從1：50000地形圖上量算工程場址匯水區(qū)幾何參數(shù)：以西洪溝總面積為10.6 km2，以東洪溝總面積為99.0 km2。吐峪溝大峽谷東西兩側(cè)洪溝下墊面類型基本相似，即屬于3類。暴雨衰減指數(shù)n選用0.64。土壤損失系數(shù)R和土壤損失指數(shù)r分別選用0.90和0.62。根據(jù)《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》及《水利水電設(shè)計洪水計算手冊》等參考技術(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)合該流域的下墊面條件情況，分別選用不同參數(shù)，計算得出各頻率設(shè)計洪水成果見表2。

4.3.3 洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率線法

選取處于同一氣候區(qū)內(nèi)具有較長實測洪水系列的水文站作為參證站，根據(jù)參證站實測年最大洪峰流量及歷史調(diào)查的洪水資料，采用“洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法”，推求調(diào)查斷面設(shè)計洪峰流量。根據(jù)吐峪溝氣候區(qū)內(nèi)具有較長實測洪水系列的各水文站的歷史調(diào)查洪水和實測洪峰系列樣本，其中：阿拉溝站為1957~2014年連續(xù)系列，無特大值處理；煤窯溝站為1976~2014年、加1969年（做特大值處理）共39年洪水系列（重現(xiàn)期60年）；二塘溝洪水系列有歷史洪水、1939年調(diào)查洪水1992~2012年，歷史洪水和1939年洪水做特大值歷史調(diào)查洪水647 m3/s（重現(xiàn)期77年）；1939年洪水355 m3/s（重現(xiàn)期38年）；白楊河（峽口）洪水系列為1979~2013年，1996年（638 m3/s）做特大值處理，重現(xiàn)期為63年；由此繪制地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線，其統(tǒng)計參數(shù)Cv=1.25，Cs/Cv=3.0。本次采用大峽谷東西兩側(cè)2016年洪水調(diào)查值，重現(xiàn)期15年相應(yīng)的模比系數(shù)2.873，求得各洪溝的設(shè)計洪峰流量，見表2。

4.4 各洪溝設(shè)計成果分析論證

經(jīng)以上幾種方法分析論證、相互對照分析認(rèn)為：幾種方法都有理論或者經(jīng)驗基礎(chǔ)，但是，由于其他條件限制，其結(jié)果各不相同。從工程安全角度考慮，建議采用二塘溝專用站作為參證站洪峰模數(shù)法計算成果作為各洪溝設(shè)計洪水成果，各洪溝設(shè)計成果見表2。

4.5 各防洪段設(shè)計洪峰流量計算

為了防洪工程設(shè)計安全，根據(jù)地理位置和洪水影響，依據(jù)表2各洪溝不同頻率下的設(shè)計洪水計算情況，可確定A、B、C、D、E段堤防處不同頻率下的設(shè)計洪水成果見表3。

表3 吐峪溝各防洪工程設(shè)計洪峰流量成果表

4.6 成果合理性分析

根據(jù)吐峪溝大峽谷各洪溝基本情況及防洪段分布、洪水影響范圍，采用推理公式法、洪峰模數(shù)法、洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合法計算出各防洪堤防的設(shè)計成果。

（1）本次設(shè)計對2016年7月24日發(fā)生的洪水進行了訪問調(diào)查并計算，根據(jù)場次洪水洪峰模數(shù)估算出各洪溝的調(diào)查洪峰流量，洪水調(diào)查斷面洪水痕跡比較清楚，而且最近發(fā)生的洪水，訪問人親眼所見，洪水痕跡也清楚，因此，場次洪峰流量是可靠。

（2）由于項目區(qū)無任何洪水或者暴雨資料，用幾種方法分析論證了各洪溝設(shè)計成果，參證站選擇長系列基本站煤窯溝和二塘溝專用站，考慮設(shè)計安全最終推薦采用二塘溝作為參證站洪峰、洪量模數(shù)法計算各洪溝的設(shè)計成果。設(shè)計成果與調(diào)查2016年7月24日引水渠、9號、8號溝調(diào)查斷面洪峰流量對比分析，該調(diào)查斷面15年一遇設(shè)計均大于調(diào)查洪峰流量，認(rèn)為成果可靠切合實際。

（3）根據(jù)各防洪段和洪溝分布情況，在無任何資料的條件下，考慮設(shè)計安全，最終計算出各防洪壩設(shè)計成果，其設(shè)計成果較可靠合理。用煤窯溝站典型洪水過程線以同頻率放大法計算項目區(qū)各防洪工程斷面的設(shè)計洪水過程線是合理的。

5 結(jié)語

吐峪溝大峽谷各洪溝屬間歇性無名山洪溝，洪水突發(fā)性強，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)、生活安全。根據(jù)當(dāng)?shù)胤篮樾枰?guī)劃了5處防洪堤防。針對當(dāng)?shù)責(zé)o監(jiān)測水文資料的實際和防洪需求，在分析洪水的基礎(chǔ)上，采取三種方法計算工程處各洪溝最大洪峰。經(jīng)過比較，最后確定以二塘溝專用站作為參證站，利用洪峰模數(shù)法計算的成果作為各洪溝設(shè)計洪水成果。并根據(jù)洪水產(chǎn)匯流情況，確定出各防洪堤防處不同防遇標(biāo)準(zhǔn)的洪水量級，為工程設(shè)計建設(shè)提供參考。