勝金臺水庫除險加固設計洪水分析

肖 雄

（新疆維吾爾自治區吐魯番水文勘測局，新疆 吐魯番 838000）

0 引言

勝金臺水庫位于吐魯番市勝金鄉西南2.5 km處排孜瓦提村，南臨312 國道,水庫地處吐魯番盆地中央隆起帶的火焰山北翼，屬低山丘陵地貌，海拔高程110 m～156 m，總體地勢西北高南東低，該水庫已運行10年以上，該區域無水文資料，因進行除險加固，需對水庫的洪水進行分析。

1 概況

勝金臺水庫屬山前河間洪積平原地下水溢出帶，由泉水溝形成的天然洼地，地形為東北高西南低，洼地寬約0.3 km～1.0 km，該水庫為人工攔河筑壩而成。水庫于1959 年10 月修建，壩長350 m，壩頂高程101.00 m，正常蓄水位100.50 m，總庫容118.66×104m3，屬于小（Ⅰ）型灌注式水庫，工程等別為Ⅳ等，設計防洪標準為30 年一遇，校核防洪標準為100 年一遇。該水庫主要是攔蓄勝金臺庫區以上勝金鄉排孜阿瓦提村的冬季閑水（泉水）,為緩解下游二堡鄉、三堡鄉多來年春季干旱缺水狀況。該庫為人工攔河筑壩而成，屬典型的“三邊”工程，現無任何施工圖紙和資料，目前上游混凝土護坡存在不同程度的沉降，混凝土臺階因凍漲導致破壞；閘井閘啟閉機螺桿損壞；水庫庫區淤積嚴重，致使水庫興利調節能力降低，嚴重影響了水庫興利庫容發揮，不滿足下游農業灌溉的用水要求。據地質勘察資料顯示，水庫大壩存在壩基滲漏與壩間滲漏，經專家評審，大壩安全評價為三類壩，屬病險水庫，必須除險加固。

2 水庫水源分析

勝金臺水庫入庫水屬火焰山水系的山前溢出泉水，沿火焰山北緣分布。水庫周邊分布著數條坎兒井和泉眼，其中勝金鄉排孜阿瓦提村1 #、2 #和排孜阿瓦提3 #的冬季閑水引入水庫，水庫上游泉水年平均流量為0.426 m3/s,年徑流量為1343.434 萬m3，其中年均入庫水量為879×104m3。勝金臺庫區周邊泉水多在上游0.1 km～3 km處出露，泉水經水庫調節后穿過吐魯番市著名風景區—火焰山進入下游二堡鄉和三堡鄉平原灌區。泉水溝形成的天然洼地周邊土壤巖性以粘性土為主，局部土壤夾砂礫石，屬中等透水～弱透水層。地下潛水由北向南徑流，與地形傾向基本一致，庫區地下水埋深3.50 m～6.00 m。水庫周圍有少量蘆葦、農田和草甸。

3 暴雨成因及特性

勝金臺水庫區域緊靠火焰山，該區域降雨稀少，多年平均降水量16.6 mm，而蒸發量達2284 mm～3608 mm，夏季干燥酷熱，冬季嚴寒多風，屬極度干旱區。但當遭遇大尺度的天氣過程時，所形成暴雨過程降水量大，雨區范圍廣，持續時間長，常常形成區域性暴雨洪水。中小尺度天氣系統形成的暴雨，降水歷時短，降水量集中，強度大，降水籠罩面積小，這類暴雨在局部區域時有發生。如1958 年8 月11 日、1960 年 6 月 18 日、1984 年 6 月 17 日、2006 年 7 月 4 日和2007 年8 月等幾次大降水，大多是低渦系統影響所致。據調查，該區域平均每一年就發生一次較大暴雨降水過程，同時在戈壁荒漠區形成洪水，匯集后穿越勝金臺鄉村公路橋涵進入勝金臺水庫。

4 暴雨洪水分析

勝金臺水庫區域屬無水文資料區域，本次分析計算僅有1984 年 3 月、2007 年 7 月 4 日、2008 年 2 月 21 日和 3 月 1 日吐魯番水文局4 次調查的一些資料。其中包括一些調查訪問資料。

4.1 歷史洪水調查

經實地調查，進入勝金臺水庫洪水溝只有一條，洪水入庫調查斷面位置E89°38′34.5″，N42°56′25.5″。該洪溝位于勝金臺鄉村公路東北方向，洪水主要產自于勝金臺以北鐵路線以下63 km2的戈壁荒漠區。

4.2 設計暴雨洪水計算

因工程區域無暴雨和洪水資料，加之上游洪溝溝口至入庫斷面區域戈壁漫灘嚴重，人文活動影響較多，未能找到明顯的洪水影子、洪水斷面和洪水痕跡，無法正常進行洪水調查。

無資料區域根據周邊水文資料條件采用不同的計算方法。在一般情況下，采取多種途徑計算，綜合分析論證和合理選用成果，本次洪水主要以洪峰模數法、調蓄經驗單位線法和推理公式法推求水庫上游洪水淹沒區設計洪水成果，經幾種方法比選后推薦最終確定勝金臺水庫入庫設計洪水成果。

4.2.1 洪峰、洪量模數法

根據臨近長系列站煤窯溝站洪峰流量和時段洪量為樣本，基于安全考慮，采用以面積比指數因子修正的洪峰、洪量模數法估算勝金臺水庫設計洪水成果，結果見表1。

表1 勝金臺水庫以上區域設計洪水成果（洪峰模數法）

4.2.2 調蓄經驗單位線法

勝金臺水庫上游只有蘇倫溝和勝金鄉雨量站2013 年～2017 年降水量和2017 年最大一次降水量資料，由于資料年限短缺，無法做頻率計算。因此，本次用周邊河流煤窯溝長系列站作為參證站。

（1）參證站最大1 日和最大24 小時設計雨量計算

用煤窯溝站1978 年～2018 年實測最大1 日和最大24 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及各頻率設計值（見表2）。頻率曲線圖見圖1。

表2 煤窯溝最大1日和24小時降雨量頻率計算成果表

圖1 煤窯溝站最大1日和24小時點降水量頻率曲線圖

（2）勝金臺水庫以上區域最大24 小時設計點、面雨量計算

根據勝金臺水庫上游現有雨量資料顯示，蘇侖溝雨量站一次最大降水量為20.6 mm，勝金鄉雨量站一次最大降水量為9.7 mm，該水庫離勝金鄉雨量站只有2 km，區域點降水量10 mm左右。

再根據1956 年～2010 年吐魯番盆地降雨量等值線圖查看，該水庫區域也基本分布于10 mm～25 mm降雨量等值線區內，接近10 mm降水量等值線。

以《新疆可能最大暴雨圖集》為依據查暴雨圖集和周圍氣象站近幾年實測雨量資料，水庫上游中心多年平均24 h暴雨均值H24=10.0 mm。

因此，可以確定該水庫上游最大24小時雨量平均值為10 mm。用煤窯溝站最大24 小時設計頻率參數CV=0.7，CV/CS=4.0，計算勝金臺水庫區域點雨量設計暴雨成果，再根據《新疆短缺資料中小河流設計洪水計算應用方法》一書表5-2 點面降雨量折算系數參考表中吐哈地區折算系數1.263，可計算出面雨量設計值，結果見表3。

表3 勝金臺水庫以上區域點面降雨量設計值

（3）產流計算

以《新疆短缺資料中小河流設計洪水計算應用方法》一書表5-21 新疆各分區最大24 小時概化雨型分配比例表，見表4。

表4 吐哈片最大24小時概化雨型分配比例表

依據最大24 小時逐時雨量過程分配比，計算設計流域最大24 小時設計面雨量逐時分配。

（4）匯流計算

根據面雨量時程分配過程和勝金臺水庫以上面積91.7 km2，以此試算凈雨總量、徑流系數和洪峰流量、時段洪量和洪水過程，結果見表5。

表5 勝金臺水庫上游設計暴雨計算成果表

（5）洪水過程線的推求

先計算出各種頻率產流期的平均凈雨強度i凈=R凈/tc，因為在各種設計條件下的雨強較大，因此主凈雨到峰現的時差tm可以近似等于0，則調蓄經驗單位線法的漲洪時段為n-1，選擇匯流計算時段Δt=2，便可求出調蓄經驗單位線法的各種頻率公比 b=（T0-0.5Δt）/（T0+0.5Δt）及首項退水比u1=1-b，進而推求退水公比為b的無窮遞減等比級數。

計算出整個單位線的u值。將各Δt時段的凈雨量換算成凈雨流量Ii，I=FR/（3.6×Δt），其中R為Δt時段內凈雨量，求出i凈后乘以u值依次疊加便得出地面徑流過程（基流等于0），同時推求出24 h洪量，見圖2。

圖2 勝金臺水庫設計洪水過程線圖

4.2.3 推理公式法

根據《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL 44-2006）及《水利水電設計洪水計算手冊》等參考技術數據，并結合該流域下墊面條件，分別選用不同的參數，采用推理公式法，推算出勝金臺水庫設計洪峰流量。

集水面積91.7 km2、主河溝長度30 km，平均坡降67.3‰。

根據《新疆短缺資料中小河流設計洪水計算應用方法》一書推薦參數，吐哈地區點、面折算系數為1.263。

暴雨指數：為了準確確定暴雨遞減指數，以周邊煤窯溝站2012 年～2018 年實測降水摘錄表，統計1 h、6 h和24 h雨量，經計算n1-6在 0.37～1.0 之間，n6-24在 0.66～0.98 之間，從地理位置來分析n1-6、n6-24暴雨遞減指數與表5.4-6 中天山南坡西段n1-6、n6-24遞減指數基本吻合，因此，本次以煤窯溝站實測資料計算的n6-24均值0.78 作為勝金臺水庫以上區域暴雨遞減指數。

土壤損失系數R和土壤損失指數r分別為0.9 和0.62；下墊面類型為3 類。

式中：QMP為設計洪峰流量，ms/s；Sp為設計雨量，mm/h；τ為流域匯流歷時，h：α為洪峰徑流系數；F為流域面積，km2；0.278 為單位換算系數。

采用推理公式法計算成果見表6。洪水過程線和時段洪水總量分別按五邊形法估算,見表6、圖3。

表6 勝金臺水庫設計洪峰流量成果表（推理公式法）

圖3 勝金臺水庫設計洪水過程線圖（五邊形法）

通過以上幾種方法計算比較可以看出，成果相差比較大，分析原因：

（1）勝金臺水庫是泉水注入為主，其水庫上游與煤窯溝站集水面積相差較大、洪水特性也有所不同，由于水庫上游受人文影響無法找到洪水痕跡，據了解前幾年當地也發生過降雨入庫（水庫未受災）。

（2）調蓄經驗法和推理公式法較多參數需確定且無實測資料，各種參數存在不確定性。

調蓄經驗法是無水文資料的中小流域設計洪水一種適用的方法，要通過圖表查算、產流試算、匯流計算來完成，計算較為繁雜，且存在圖表查算缺乏唯一性的缺憾（時段洪量只算1 日和3 日）。

推理公式法選用相鄰流域參證站—煤窯溝站的最大1 日、最大24 小時降水量和暴雨圖集資料進行設計流域的洪水計算，資料系列可靠，代表性較好，在暴雨遞減指數、土壤損失等參數的選用上，主要參考設計洪水計算常用方法中提供的試驗數據（時段洪量只算1 日）。

綜合考慮，推薦采用調蓄經驗法設計成果，作為勝金臺水庫入庫設計洪水。成果見表7。

表7 勝金臺水庫入庫設計洪水成果（最終）

5 結語

勝金臺水庫入庫水源主要是泉水和冬閑時的坎兒井水、自流井水。本流域無水文、氣象資料，為了水庫除險加固需要，本次分析充分利用了本區域以及以往收集到的實測水文資料，并結合洪水調查，對洪水采用推理公式法和調蓄經驗法進行了計算，從安全角度出發，推薦采用調蓄經驗法進行計算。