雅爾乃孜水庫設計洪水分析

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

雅爾乃孜水庫位于吐魯番市雅爾乃孜溝溝口上游0.8km處，1977 年11 月興建，設計庫容463×104m3，復核庫容為397×104m3，可灌溉田地3.6 萬畝。1983 年11 月完工，冬季開始蓄水，不久東壩肩出現漏水，1984 年2 月14 日在東壩肩處潰決，決口底寬約60 m，最大潰壩流量約200 m3/s，從大壩開始決口到水庫全部放空歷時僅4 h，壩段上游大部分產生了滑坡，滑坡壩段長約200 m。經專家評定為三類壩，水庫大壩存在壩基滲漏與壩間滲漏，屬病險水庫。為了除險加固，需對水庫洪水進行分析。

1 概況

雅爾乃孜溝是吐魯番盆地內鹽山的一個缺口，是塔爾朗河尾溝，也是塔爾朗河洪水流向艾丁湖的唯一通道。塔爾朗河為雅爾乃孜水庫上游唯一水系，海拔高度為1145 m，冰川面積為5.68 km2，河道坡度54.6%，河長為50 km。塔爾朗河與雅爾乃孜溝區間積水面積為124 km2，區間不產流且無洪溝匯入。塔爾朗河流出山口后通過山前沖擊、洪積扇區，穿越蘭新鐵路后形成漫灘在312 國道下約2 km處水流集中沖刷成槽，進入雅爾乃孜溝。溝內交河古城周邊有兩條泉水溝，即馬哈溝和阿斯喀瓦克溝，其中馬哈溝泉水從交河古城城東流下，阿斯喀瓦克泉水從城西流下，兩股泉水在古城南端匯合，流向雅爾乃孜溝。

塔爾朗河1998 年5 月設有塔爾朗專用水文站，具有1998 年～2003 年實測資料,監測項目有水位、流量，其中1998 年和2003 年監測資料不全，其多年平均徑流量為0.7871×108m3。河流約70%以上的水量經塔爾朗引水渠首引向下游工、農業及居民相對較集中的灌區，而不足30%的水量為夏季洪水和冬閑水，隨渠道進入干旱的礫質平原區后，分散為多條支岔滲入地下，潛行14 km后在312 國道以南逐漸出露，匯集于距國道下游6 km處的雅爾乃孜（又名羊奶子溝）內的攔溝水庫～雅爾乃孜水庫，通過天然河道流入雅爾乃孜水庫或者滲漏于河道當中消耗殆盡。塔爾朗專用水文站，地處天山南坡塔爾朗河出山口，即吐魯番市桃兒溝村，集水面積467 km2，與建于1955 年11 月設立的的煤窯溝長系列水文站相鄰，集水面積481 km2，煤窯溝河與塔爾朗河同處于同一氣候區，出山口平行相距25 km，下墊面要素相似，同受大尺度天氣影響，徑流形成條件大致相同。

2 暴雨特性及歷史洪水分析

2.1 暴雨特性

塔爾朗河屬天山南坡山溪性河流，洪水多為暴雨所致，且多以局地性暴雨引發洪水為主。洪水具有突發性，短歷時，陡漲陡落等特點。流域暴雨有以下特點：①暴雨主要發生在汛期（6月～8月），占全年降水總量的80%左右。由山區向平原急劇遞減；②局地性暴雨歷時短（一般暴雨歷時不超過6 小時），陣性強，籠罩面積小，暴雨中心集中在高山區；③暴雨致災性強。每次暴雨均給當地帶來巨大災害。

2.2 歷史洪水調查及考證期確定

塔爾朗河缺乏歷史洪水調查資料，1988 年10 月對1987 年7 月的洪水進行了調查，調查洪峰流量為325 m3/s。2005 年8 月發生的洪水，經調查洪峰流量為313 m3/s。洪水調查河段在水管站下游（E89°04′27″～N43°12′37″）。從洪水調查訪問記錄和洪水調查資料分析，可以確定塔爾朗河流近20 年之內發生的最大洪峰流量為1987 年，洪水排位第一，再次是2005 年排位第二，實測資料顯示2000 年發生最大洪峰流量為286 m3/s排位第三。

從調查洪水排序分析，經考證1987 年最大洪峰流量為325 m3/s，為1987 年至今最大洪水，之前也有可能有大于1987 年的洪水，但目前還沒有找到可靠的依據，因此1987 年洪水洪水調查重現期為22 年。

3 洪水分析

3.1 水文資料

塔爾朗河設有塔爾朗專用水文站，監測項目有水位、流量，共有6 年（1998 年5 月23 日-2003 年12 月）的實測資料（汛期站），汛期水位和流量均正常觀測，基本控制了洪水過程，全年測次不少于35 次，隨水位變化而增加測次，最多測次達70 次。流量分別在河道和渠道觀測整編后合并計算，其計算、整編方法符合規范要求。

該站除了有6 年實測洪水系列外，還有1987 年、2005 年洪水調查和2007 年水管站實測資料，共有9 年洪水資料；與塔爾朗河相鄰的煤窯溝水文站具有完整的47 年（1957年～1971 年，1976 年～2007 年）實測洪水系列；另有1987 年、2000 年、2005 年水管站和水文局實測或調查的上下游場次洪水資料。

3.2 參證站代表性分析

塔爾朗專用水文站只有1998年～2003年、2007年實測洪水系列和1987年、2005年洪水調查資料，資料比較短，無法按實測資料來計算洪水，為此選取周邊長系列的煤窯溝水文站作為參證站，做代表性分析，依據長系列站的資料對本站系列插補延長。

（1）洪峰、洪量長短系列統計參數對比分析

將煤窯溝站1976年～2007年洪峰、3 日洪量系列資料，按不同系列長度進行均值和統計參數分段計算，當系列長度在30 年以上時，洪峰流量、洪量均值、CV值較穩定，說明樣本系列代表性好。

（2）洪峰、洪量模比系數差積曲線分析

煤窯溝站洪峰、洪量模比系數差積曲線形態相似，現以3日洪量模比系數差積曲線做分析。繪制煤窯溝站3 日洪量模比系數差積曲線圖1，從圖1 可知，煤窯溝站洪量系列有較完整的增減過程，洪量明顯出現幾次過程，自1976 年～1986 年為小洪水過程；1987 年～1990 年平緩過程；1991 年～1998 年明顯的大洪水過程；1999 年～2004 年平緩過程；2005 年～2007 年為明顯的遞增過程；32 年資料包含了大、中、小洪水年份。

圖1 煤窯溝站3日洪量模比系數差積曲線圖

（3）洪峰、洪量模比系數累積平均曲線分析

煤窯溝站洪峰流量系列與1日、3日、7日洪量系列模比系數累計平均過程線形態非常相似，僅以洪峰系列模比系數累計平均過程線為例加以分析。圖2 為煤窯溝站洪峰流量模比系數累計平均曲線圖，從圖2 可知，近三年2007年～2005 年出現陡漲陡落現象，以2005年開始逆時序，比較平緩和穩定遞減趨勢，當系列長度30 年時，洪峰流量模比系數趨近于1.0，漸趨穩定。

圖2 煤窯溝站洪峰流量模比系數累積平均曲線圖

由以上煤窯溝站洪峰流量及3 日洪量代表性分析可知，當樣本系列長度達30 年以上時，具有代表性。

3.3 塔爾朗水文站設計洪峰流量計算

由于塔爾朗水文站資料系列較短，因此采用以下三種方法進行分析比較計算洪水。

3.3.1 相關法

經過和相關洪水同步性分析，塔爾朗站與煤窯溝站洪峰流量相關尚好，其系數為R=0.7627。用參證站洪峰流量系列將塔爾朗站缺測年份洪峰流量插補展延到2006 年，用實測和插補展延后共21 年洪峰流量系列進行頻率計算。

圖3 塔爾朗與煤窯溝站洪峰流量相關圖

圖4 塔爾朗水文站洪峰流量插補展延頻率曲線圖

3.3.2 洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線法

選取處于同一氣候區內具有較長實測洪水系列的水文站作為參證站，根據參證站實測年最大洪峰流量及歷史調查的洪水資料，采用“地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法”，推求調查斷面設計洪峰流量。

式中：QP為設計洪峰流量，m3/s；Qd為調查歷史洪水洪峰流量；KP為設計洪峰流量模比系數； Kd為調查洪峰流量模比系數。

采用本氣候區內具有較長實測洪水系列的各水文站的歷史調查洪水和實測洪峰系列樣本。

阿拉溝、煤窯溝、二塘溝、白楊河站實測洪水系列點繪在一起，由此繪制地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線，其統計參數CV=1.25，CS/CV=3.0。

采用洪水調查成果1987 年，重現期定為22 年，其相應的模比系數為3.577。據此求得KP值及塔爾朗水文站不同設計頻率設計洪峰流量。

3.3.3 水文比擬法

與年徑流量所采用的水文比擬法一樣，直接移用煤窯溝站洪峰流量統計參數，CV=1.2，CS/CV=2.5，多年平均流量均值用水文比擬法計算而得，其計算公式：

圖5 吐魯番市洪峰流量模比系數綜合頻率曲線圖

式中：Q塔為塔爾朗站年平均洪峰流量；Q煤為煤窯溝站年平均洪峰流量，97.4 m3/s；F塔、F煤為塔爾朗和煤窯溝站集水面積，分別為467 km2、481 km2。

經計算，塔爾朗站多年平均洪峰流量為94.6 m3/s。用同樣的方法可推算出塔爾朗站各保證率的設計洪峰流量值，其結果見表1。

表1 塔爾朗水文站洪峰流量設計成果表

3.3.4 方法分析論證

從上述三種方法分析來看，綜合頻率曲線法與水文比擬法結果比較相近。相關法采用9 年洪峰流量系列，煤窯溝站作為參證站，插補延長到21 年，即1987 年～2007 年展延11 年，展延年限超出規范要求；綜合頻率曲線法將同一水文分區內氣候、地形條件基本相似的測站實測樣本作綜合分析，編制地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線，推求設計洪峰流量；由此可降低成果的抽樣誤差；水文比擬法經分析參證站與塔爾朗河相鄰較近，下墊面因素相似，洪水相關和洪水同步性較好，因此采用煤窯溝站作為參證站，來推求塔爾朗洪水參數，其結果比較符合實際。經安全考慮，最終采用洪峰流量模比系數綜合頻率曲線計算成果。

表2 塔爾朗水文站洪峰流量及各時段洪量設計值成果表

3.4 塔爾朗水文站洪量計算

塔爾朗水文站各時段洪量資料短缺，只有1998年～2003年6年各時段洪量資料，同樣采用相關法、地區綜合頻率曲線法和水文比擬法分析計算，比較后，偏于安全，推薦采用綜合頻率曲線法計算結果，計算過程從略，結果見表2。

表3 塔爾朗上下游河段洪水衰減率計算表

3.5 雅爾乃孜水庫入庫設計洪水計算

雅爾乃孜水庫入庫設計洪水為上游塔爾朗水文站設計洪水流經30.8 km，減去區間衰減最后剩余入庫的洪水。塔爾朗河流域缺乏洪水衰減試驗資料。經上下游洪水斷面洪峰流量調查成果（見表3），可計算出每千米平均衰減率在1.1%～1.8%之間，本次用每千米平均衰減率為1.5%來計算雅爾乃孜水庫設計洪水成果。

表4 雅爾乃孜水庫洪峰流量及各時段洪量設計成果表

4 結語

為了確保雅爾乃孜水庫除險加固工作順利進行，分析塔爾朗河洪水特性、沿程變化及入庫途徑，以煤窯溝水文站為參證站，采用水文比擬法、綜合頻率曲線法、相關法計算塔爾朗水文站設計洪水和洪量成果，經比較，采用綜合頻率曲線法計算成果偏于安全。塔爾朗水文站至雅爾乃孜水庫30.8 km洪水沿途衰減規律，用每千米平均衰減率1.5%計算成果作為雅爾乃孜水庫設計洪水成果，其方法符合規范要求，其成果合理，可供水庫除險加固進行參考。