哈密小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法與分析

吳江濤

（新疆維吾爾自治區(qū)哈密水文水資源勘測局,新疆 哈密 839000）

哈密市小流域一般缺乏水文實(shí)測資料，設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算一直是水文工作者研究與探討的熱點(diǎn)。水文工作者常用計(jì)算方法有推理公式法、產(chǎn)匯流調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)單位線法等。近年來隨著哈密市一些供水與輸水工程的實(shí)施，小流域洪水計(jì)算成為工程水文分析的重點(diǎn)，分析與研究小流域內(nèi)的洪水計(jì)算為水文工作者針對水利工程提出了新的見解及方法。恰堡引水渠首位于哈密市西部沖洪積平原區(qū)，上游山區(qū)為三、四道溝流域，設(shè)計(jì)流域北與德外里克鄉(xiāng)相連，東與二堡鄉(xiāng)相連，西與七角井為鄰，南為五堡鎮(zhèn)。本文采用實(shí)地洪水調(diào)查分析、概率統(tǒng)計(jì)以及推理公式驗(yàn)證的方法分析該小流域設(shè)計(jì)洪水。

1 區(qū)域概況及自然地理

恰堡引水渠首位于哈密市西部沖洪積平原區(qū)，上游山區(qū)為三、四道溝流域，設(shè)計(jì)流域北與德外里克鄉(xiāng)相連，東與二堡鄉(xiāng)相連，西與七角井為鄰，南為五堡鎮(zhèn)。渠首位于東西白楊溝匯合處下游，全流域在哈密市境內(nèi)。恰堡為地下水出露后匯合而成的泉水河，流經(jīng)三堡、四堡、五堡，沿途兩岸分布有坎兒井，灌溉期過后水流均匯入河道，農(nóng)閑水蓄入五堡水庫。恰堡源頭泉眼位于蘭新鐵路南部，匯合口到泉眼處距離約4. 0 km。匯合處到上游出山口處集水面積358 km2。

設(shè)計(jì)流域位于吐魯番～哈密凹陷帶，吐魯番～三道嶺～回莊子大斷裂橫穿研究區(qū)，在地貌上形成斷崖高達(dá)10 m左右，河槽為礫質(zhì)沙土構(gòu)成，遇風(fēng)雨和洪水易坍塌。河道兩邊長有少量的胡楊林，山坡荒地生長有麻黃、泡泡刺、假木賊、木鹽礫漠等。流域下游為農(nóng)作物、牧草、林木種植區(qū)。區(qū)域內(nèi)土壤主要為沙土和灌溉棕漠土。由于地形影響風(fēng)蝕作用明顯,形成許多風(fēng)蝕殘丘和風(fēng)蝕洼地。土壤沙化嚴(yán)重。

2 洪水的調(diào)查與分析計(jì)算

2.1 洪水類型、特性及成因分析

恰堡引水渠首的洪水主要來源于夏季暴雨和局部區(qū)域大暴雨。路徑一：312 高速路面戈壁灘下的暴雨洪水；路徑二：柳樹泉農(nóng)二連（三堡）流過來的洪水；路徑三：三柳樹泉農(nóng)二連（阿伊它木）道溝山區(qū)洪水、三、四道溝流域山前坡面洪水，都進(jìn)入恰堡引水渠首。

暴雨常發(fā)生在夏季6月～7月，暴雨成因分析可分成兩種類型：一種是局部性暴雨洪水，特點(diǎn)為雨區(qū)范圍小、強(qiáng)度大、歷時(shí)短、匯流迅速，洪水往往來勢兇猛、陡漲陡落，峰高量小，持續(xù)時(shí)間短，洪水帶來的泥沙，對渠首的淤積危害較大；另一類是大范圍的暴雨洪水，這類洪水常伴有大的天氣過程，在夏季西風(fēng)環(huán)流大型天氣系統(tǒng)移動(dòng)過境時(shí)，造成山區(qū)大范圍的降水，形成較大的洪水。

2.2 洪水調(diào)查資料情況

1992 年6 月19 日，該區(qū)域發(fā)生較大暴雨洪水，沖毀312 國道沿線多處路段，東西白楊溝大橋及四堡大橋均被沖毀，給下游人民財(cái)產(chǎn)造成慘重的損失。新疆哈密水文水資源勘測局對蘭新鐵路暴雨區(qū)范圍進(jìn)行實(shí)地勘測,由于調(diào)查及時(shí)，洪痕明顯清晰，參照《水文測驗(yàn)規(guī)范》及采用試算法基本計(jì)算公式（見式（1）、式（2））,計(jì)算匯入大小白楊溝匯合口處的洪峰流量為108 m3/s（恰堡）。此斷面在閘址斷面以上1.0 km。

2007年7月，哈密市發(fā)生大范圍洪水災(zāi)害，該區(qū)域受災(zāi)最為嚴(yán)重，2009年9月19日,為修建蘭新高鐵鐵路對大小白楊溝匯合口處洪水?dāng)嗝嫔舷掠蔚臍v史洪水進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查，計(jì)算斷面位于大小白楊溝匯合處，進(jìn)行實(shí)地踏勘，并對2007年7月洪痕位置進(jìn)行測量參照《水文測驗(yàn)規(guī)范》及采用試算法基本計(jì)算公式（見式（1）、式（2）），根據(jù)計(jì)算2007年7月洪峰流量為189.8 m3/s。此斷面在閘址斷面以上0.54 km。

2015 年5 月五堡鎮(zhèn)發(fā)生了局地暴雨洪水，在現(xiàn)場對各計(jì)算斷面洪水進(jìn)行實(shí)地踏勘，并對洪痕位置進(jìn)行測量，糙率系數(shù)n值的選定，因?yàn)闆]有實(shí)測資料，只能根據(jù)以前洪水調(diào)查選用的糙率值及相鄰流域主要河流的糙率，以及調(diào)查河段特征、洪水坡度等因素，并按《水文調(diào)查規(guī)范》對各種情況河道的糙率進(jìn)行分析，確定本次洪峰流量計(jì)算的糙率取用值。本次調(diào)查斷面到閘址的距離為1.07 km，上、中、下斷面n值分別為0.043、0.031、0.034，詳細(xì)計(jì)算見表1。計(jì)算出恰堡渠首的洪峰流量為154 m3/s，該調(diào)查值較可靠。

設(shè)計(jì)流域植被、河床組成、下墊面情況、洪水漂浮物和含沙量等情況與其較為相似，參照《水文測驗(yàn)規(guī)范》及該縣其它區(qū)域以前洪水調(diào)查情況分析，結(jié)合本河區(qū)測量斷面，并采用多段面約束公式，通過試算后確定本次洪峰流量計(jì)算的糙率。具體采用試算法基本計(jì)算公式如下：

式中：Q為洪峰流量，m3/s；F為斷面面積，m2；V為斷面平均流速，m/s；n為河床糙率；I為水面比降；R為水力半徑，m。

上斷面～中斷面40 m，中斷面～下斷面75 m。恰堡渠首洪水調(diào)查大斷面圖見圖1、圖2、圖3，調(diào)查洪水洪峰流量計(jì)算成果表見表1。

表1 恰堡渠首2015年5月調(diào)查洪水洪峰流量計(jì)算表

圖1 恰堡渠首洪水調(diào)查上斷面圖

圖2 恰堡渠首洪水調(diào)查中斷面圖

圖3 恰堡渠首洪水調(diào)查下斷面圖

2.3 歷史洪水重現(xiàn)期的確定

由于影響設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的兩個(gè)主要因素是洪峰流量和重現(xiàn)期。該引水渠首修建于1969年，從1969年～2015年渠首遇到較大洪水有三場1992年、2007年、2015年洪水，其中最大洪水是2007年7月發(fā)生的暴雨洪水、第二大洪水2015年，1992年洪水為第三大洪水，在洪水系列中不突出，按正常洪水排序。從1969年～2015年共經(jīng)過47年。因此，將2007年發(fā)生的洪水重現(xiàn)期定為48年一遇，2015年7月發(fā)生的洪水重現(xiàn)期定為24年一遇。

3 設(shè)計(jì)洪峰流量的推求

根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL 44-2006）規(guī)定，即“當(dāng)設(shè)計(jì)流域的洪水和暴雨資料短缺時(shí)，可利用鄰近地區(qū)分析計(jì)算的洪峰、洪量統(tǒng)計(jì)參數(shù)或相同頻率的洪峰模數(shù)等，進(jìn)行地區(qū)綜合，用于設(shè)計(jì)流域”。本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算即洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法進(jìn)行分析，并加以論證其合理性。

本次采用哈密天山南北坡4個(gè)具有長系列洪水資料的參證站洪水資料系列，繪制出地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線，CV=2.4，CS=12.0，CS/CV=5.0。

根據(jù)恰堡渠首處調(diào)查的2007 年7 月洪峰流量190 m3/s，重現(xiàn)期48 年一遇；2015 年7 月洪峰流量154 m3/s，重現(xiàn)期24 年一遇；分別代入式（3）、式（4），推求出不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量成果見表2。

洪峰流量計(jì)算公式：

式中：K為洪峰流量模比系數(shù)；Qm為最大洪峰流量，m3/s；Q為平均洪峰流量，m3/s；

式中：Qp為設(shè)計(jì)頻率洪峰流量，m3/s；Q調(diào)為某一頻率的調(diào)查洪峰流量，m3/s；Kp、K調(diào)為設(shè)計(jì)、調(diào)查洪峰流量的模比系數(shù)。

表2 恰堡引水渠首設(shè)計(jì)洪峰流量成果表 單位：m3/s

4 結(jié)語

小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法很多，如推理公式法、調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)單位線法、洪峰模數(shù)法等，這些方法大多是針對山區(qū)小流域。本文根據(jù)實(shí)地調(diào)查洪水，分析不同洪水痕跡相應(yīng)流量，采用概率統(tǒng)計(jì)的方法，依據(jù)調(diào)查流量及洪峰模比系數(shù)綜合頻率曲線計(jì)算渠道工程設(shè)計(jì)洪水，經(jīng)驗(yàn)證，調(diào)查結(jié)果與設(shè)計(jì)成果基本合理。此方法對于新疆哈密市的小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算具有一定的借鑒意義。