烏什縣托什干河段防洪堤設計洪水位風險分析

盧 祿

（阿克蘇地區水利水電勘測設計院有限公司，新疆 阿克蘇 843000）

1 托什干河段水位變化趨勢

根據1920 年～2004 年（1935～1946 年缺測）托什干河沙里桂蘭克水文站年最高潮水位統計數據，水位超10.00 m 洪水共出現15 次，其中1920 年～1944 年1 次，1945 年～1981 年3 次，1982 年～2004 年11 次；水位超10.50 m 洪水共出現8 次，其中1945 年～1981 年1 次，1982 年～2004 年7 次。大洪水頻率越來越高，不同時段水位超限次數見表1。

表1 沙里桂蘭克水文站最高潮水位超限次數統計

對托什干河沙里桂蘭克水文站最高水位序列求其15 年移動平均值，結合計算結果描繪H15～t 過程曲線[1]，詳見圖1。根據曲線變動趨勢來看，前期波動較為平穩，從上世紀六十年代末七十年代初開始水位上升幅度增大。

圖1 沙里桂蘭克水文站最高水位序列15 年移動平均曲線

結合托什干河水位上升趨勢，按照1920 年～1950 年、1920年～2004 年、1950 年～2004 年及1980 年～2004 年四個時段分析最高水位頻率，結果詳見表2。

表2 沙里桂蘭克水文站各時段年最高水位頻率結果

上表顯示，各時段內年最高水位均值依次升高，相同風險度所對應的洪水位也不斷增大，其中1920 年～1950 年資料中1950 年洪水重現期為250 a，選定該水位為托什干河段防洪設計水位安全系數，然而1980 年～2004 年資料顯示該水位重現期為35 年一遇，如果繼續以其作為托什干河段防洪設計水位，顯然不夠合理。

托什干河流域1950 年發生罕見的特大洪水，汛期的降水量、持續時間和影響范圍都出現新高，流域沙里桂蘭克水文站首次出現10.20 m 最高水位。自1950 年以來，沙里桂蘭克水文站水位超9.50 m 的情況出現過四次，分別是1962 年的9.89 m、1970 年的9.68 m、1995 年的9.67 m和1998 年的9.98 m，這些年份沙里桂蘭克水文站最大洪水流量分別為76200 m3/s、68300 m3/s、76600 m3/s 和74300 m3/s，占1950 年特大洪水最大流量96400 m3/s的79%、71%、79%和77%。根據1962 年、1970 年、1995 年以及1998 年四次洪水水位情況，如果1950 年特大洪水雨情重現，則托什干河流域沙里桂蘭克水文站水位將突破10.20 m，所以必須對托什干河段防洪風險重新進行分析，確定設計洪水位。

2 托什干河段年水位升高原因分析

托什干河段受潮汐作用影響較為明顯，河段洪水水位變化是由自上游向下游傳遞的洪水波以及反向傳播的潮波所共同作用的結果，影響托什干河段沙里桂蘭克水文站水位的因素主要有上游來水量、區間來水量、下游潮水位、流域水流特性[2]等。所以分析引發托什干河段水位上升的主要因素包括：上游來水量增加、區間來水量增大、水流特性改變、下游潮位調整等。

2.1 上游來水量增加

選取托什干河段入口斷面喀拉布拉克水文站1925 年～1995 年（其中1938 年～1949 年缺測）最大流量系列進行托什干河段上游來水量變化分析，顯著性檢驗及頻率分析以1970 年為分界點，喀拉布拉克水文站位于沙里桂蘭克站上游約20 km 處。托什干河段上游來水量系列檢驗結果（α=20%）詳見表3 和表4。

表3 托什干河段上游來水量系列檢驗結果（α=20%）

表4 喀拉布拉克站年最大流量系列頻率及結果

根據表3 檢驗結果，由于t＞tx/2，f＞fx/2，均值與方差檢驗都未通過。

根據表4 計算結果，近年來，喀拉布拉克站年最大流量均值及同頻率（P=1%，2%和5%）所對應的設計流量呈不斷增大態勢，而且兩個樣本之間存在明顯差異，無法對應同一總體。且洪水期托什干河段上游來水量增加趨勢明顯，引起河段年最高水位持續上升。

2.2 區間來水量增大

喀拉布拉克站以上流域面積占托什干河段流域面積的95.7%，區間面積占比僅2%左右，雖然通常情況下區間來水對托什干河段水位并無太大影響，但當區間來水增大且正好與流域融雪洪峰相遇疊加時，將對托什干河段洪水位產生不可低估的影響[3]。為量化區間來水量增大對托什干河段水位提升影響，必須分析區間來水增大與流域融雪洪峰相遇疊加的概率以及區間來水量的變動程度，然而由于托什干河段區間來水資料較為缺乏，故本次研究對區間來水量對水位的影響不做分析。

2.3 水流特性的變動

選取1950 年～1955 年以及1984 年～1988 年喀拉布拉克站高水位期各月最大流量以及沙里桂蘭克水文站對應月份的最高水位，進行線性回歸并繪制水位～流量曲線（圖2），圖2表明，上世紀50 年代和80 年代喀拉布拉克水文站流量與沙里桂蘭克水文站水位關系密切，相關系數分別為0.918 和0.953，兩個時段回歸方程分別是：

式中：H 為沙里桂蘭克水文站水位（m）；Q 為喀拉布拉克水文站流量（萬m3/s）。

由圖2 可知，50 年代的水位流量曲線明顯低于80 年代，隨著水位的升高，離差增大，假設上游洪水來水量完全相同，則沙里桂蘭克水文站水位明顯升高。對同一流量樣本繪制不同時期水位～流量關系曲線，進而推求水位樣本均值，在頻率分別為1%，2%和5%時設計洪水位離差在0.80 m～0.93 m之間，所以，河道水流特性變動是導致托什干河段水位上升的主因。

圖2 不同時段沙里桂蘭克水位與喀拉布拉克流量關系

3 防洪堤設計洪水位風險分析

3.1 風險概述

托什干河段防洪堤工程可能會出現滿溢、滑坡、管涌、風浪淘刷、水流侵蝕等事故類型，且主要取決于工程荷載效應L 和承載能力R。L＜R 時，防洪堤工程處于正常狀態；L＞R，表明工程部分或整體失效。由于荷載效應L 和承載能力R 受諸多不確定因素影響，防洪堤工程失效{R＜L}屬于隨機事件，其風險概率表示如下：

式中：fRL(r,l)為防洪堤工程荷載效應L 和承載能力R 的聯合分布密度函數。根據防洪堤設計洪水位風險成因，荷載效應L 和承載能力R 相互獨立，所以式（1）可以改寫為：

水文和水流風險因素都會增加荷載的隨機性。水文風險因素主要指導致河段設計流量和水位等數據發生偏差的因素，而水流風險因素包括導致河段水流和滲流形態演變的風險因素。防洪堤工程事故損失包括經濟損失和非經濟損失兩大類，只有充分掌握事故類型、損失強度、歷時和流域范圍內的社會經濟條件，才能進行投資- 風險- 效益分析。為增強針對性，本文僅在考慮水文與水流風險因素的基礎上分析托什干河段洪水位超設計水位Hd 的風險，并確定洪水位H 的概率密度分布fH(h)，防洪堤工程的風險P 簡化如下：

導致托什干河段水位上升的因素很多，而且隨著人們對流域開發利用廣度與深度的增大，水位將會不斷升高，為了加強河段防洪堤設計，必須進行不同設計頻率所對應設計水位的分析以及水位超限的風險計算。

3.2 風險分析

通過三種方案對托什干河段防洪堤設計洪水位進行風險分析：

方案一：流域河段水文情勢的變化具有明顯的階段性，水位在一段時期內相對穩定。通過對托什干河段1970 年以前的水位資料做一致性修正很難反映其水文水流變化趨勢現狀，而將不一致的樣本資料放在一起分析會導致誤差增大，所以，在此方案中，直接分析沙里桂蘭克水文站1970 年～1994 年最高水位資料頻率，求得H=8.80 m，Cv=0.09，Cs=0.11，不同設計頻率流域沙里桂蘭克水文站設計水位詳見表5。

表5 不同設計頻率流域沙里桂蘭克水文站設計水位

沙里桂蘭克水文站1970 年～1994 年最高水位資料能夠反映流域河段水位變化現狀，但是樣本容量太少，且缺乏代表性。

方案二：與方案一最大法取樣法不同，方案二采用超定量法取樣，選取沙里桂蘭克水文站1970 年～1994 年間逐月洪水位大于8.00 m 的年份共50 次展開頻率計算，求得H=8.56 m，Cv=0.07，Cs=1.21，將待定的設計值年頻率換算成次頻率，查頻率曲線得出設計值。

年頻率Pn 與次頻率Pc 之間的轉換通過（4）式實現：

不同設計頻率流域沙里桂蘭克水文站設計水位結果見表5。

方案三：將1970 年前后流域沙里桂蘭克水文站年最大流量系列進行置信水平α=20%的檢驗。結果表明，1970 年前后年最大流量系列差異顯著，而當置信水平α=10%時，tx/2=1.762，t=1.385，tx/2＞t；fx/2=1.962，f=1.735，fx/2＞f，均值和方差均通過檢驗，說明1970 年前后年最大流量系列不存在顯著差異，可認為出自同一總體。所以，采用1925 年～1994 年喀拉布拉克水文站最大流量系列進行分析，得出不同設計頻率所對應的喀拉布拉克水文站設計流量，并結合80 年代沙里桂蘭克水位與喀拉布拉克流量關系（見圖2）求得設計頻率不同時沙里桂蘭克水文站設計水位，結果見表5。

上述三種方案計算結果較為接近，綜合考慮社會發展和經濟建設步伐的加快，烏什縣托什干河段水位升高的趨勢仍將繼續，為此筆者推薦設計水位較大的方案三。結合20世紀80 年代沙里桂蘭克水位與喀拉布拉克流量關系和1925 年～1994 年喀拉布拉克水文站最大流量系列頻率計算結果，得出當前條件下烏什縣托什干河沙里桂蘭克水位超限制的風險程度，見表6。

表6 托什干河沙里桂蘭克水文站出現不同水位的風險程度

4 結論

本文在分析托什干河段水位變化趨勢以及引起河段水位升高原因的基礎上，僅對非工程風險導致托什干河沙里桂蘭克水文站最高水位超過設計水位的風險程度加以量化計算，而并未考慮工程風險因素。洪水風險分析是構成防洪堤工程防洪風險分析的基礎，不能只考慮上游來水量、區間來水量、下游潮水位、流域水流特性等風險因素，還必須對防洪堤失穩、防洪閘穩定、河床沖刷等風險因素加以研究，才能確保防洪分析的全面性。