新疆烏蘇市四棵樹河河道防洪工程洪水分析計算

尹偉葉

（新疆維吾爾自治區塔城水文勘測局，新疆 塔城 834700）

1 工程概況

四棵樹河流域水利開發時間比較早。據烏蘇縣志記載，明末清初，準噶爾人曾在四棵樹河上游前山帶挖了一些簡易渠道，引水澆灌青稞和糜子。民國前后該流域內又斷斷續續修建了一批引水灌溉設施，但總的來說，規模都比較小，發揮效益不大。

新中國成立初期的十多年內，由于財政拮據，受技術水平的限制，水利建設起步緩慢，僅停留在修舊利廢的基礎上。由于四棵樹河無控制性的水利樞紐工程，洪水得不到有效控制，對流域內水利工程設施和下游交通運輸、人民生命財產安全以及烏蘇市社會經濟發展造成極大的破壞和潛在的威脅。

2 河流水系

四棵樹河為奎屯河最大支流，河流先由西南向東北流淌，在九巴勒貝勒其爾溝匯合口附近到吉勒德水文站，河流基本由南向北,流出吉勒德水文站后，河流改由東南向西北方向下泄。河流出山口后蜿蜒北下，穿過丘陵、洪積沖積平原，自然狀態下匯入奎屯河。

3 重點防洪河段

根據烏蘇市水利局和地區水利水電勘察設計院要求及前后兩次的實地踏勘，確定重點防洪河段有以下幾處：

（1）一級水電站引水龍口（石門）至吉勒德水文站。由于該地段降水較多，河網發育，河道支流交匯密集，但人煙稀少，生態環境脆弱，預警預報工作不僅難度大，而且設備投入與維護所需資金缺口較大。長期以來，該地段山洪發生頻繁，由此引發的泥石流及山體滑坡時有發生，是重點防洪河段之一。

（2）察汗烏蘇溝匯合口至北疆鐵路大橋。這一河段上，由于引用水量逐年增加，通過河道的水量減少，挾沙能力降低，在公路大橋和鐵路大橋上下游長期大量淤積，現僅剩大橋拱圈部分過水，橋洞實際過水能力大大降低，致使高速公路和北疆鐵路兩條運輸大動脈安全暢通受到威脅。

（3）北疆鐵路至滾水壩之間。由于下游柳溝水庫引水渠的攔截，阻斷了水流自然狀態下的行洪通道，再加之此段河床拓寬數百米，水流速度平緩，大量泥沙沉積于此。使得防護堤壩內河床明顯高出兩岸農田、村鎮，位于兩岸的四棵樹鎮和哈圖布呼鎮每年都要投入大量的人力、物力和財力進行防洪搶險工作，不僅嚴重影響到他們的日常勞作和生活，還要蒙受洪水災害帶來的巨大經濟損失。

四棵樹河河道防洪工程的實施，將為流域內7萬人口人民生命財產安全及灌區三十余萬畝的耕地灌溉提供水源保障，也為烏蘇市工農業生產和社會經濟發展提供強有力的支持。

4 水文資料概況

由于四棵樹河流域范圍內只有吉勒德一個水文站，為進行河道洪水分析及無資料干、洪溝設計洪水分析計算，除吉勒德水文站外，這次還收集了鄰近的同發源于天山北坡的精河、奎屯河、八音溝河、瑪納斯河、塔西河流域的精河山口水文站、將軍廟水文站、喇嘛廟水文站、肯斯瓦特水文站和石門子水文站洪水資料以及流域下游平原區烏蘇市氣象站的有關資料。

5 洪水系列分析

5.1 洪水系列一致性分析

就洪水系列而言，影響系列一致性的主要因素來自區間引水、分水、人類活動以及計算斷面上下遷移等。吉勒德站1959年5月斷面遷移距離較短，區間沒有引水、分水情況發生，也沒有較大支流匯入，人類大規模的開發利用活動較少，可以認為吉勒德水文站洪水資料系列一致性較好。

5.2 洪水系列可靠性分析

吉勒德站、將軍廟站、喇嘛廟站、精河山口站、肯斯瓦特站和石門子站均為國家基本水文站，數據采集、整編和刊印均執行國家行業規范要求，資料可靠，精度較高。

5.3 洪水系列代表性分析

由于其它各站洪水資料系列相對偏短，對本流域吉勒德水文站64年洪峰流量系列代表性的分析，初步評價吉勒德站和其它各參站洪水資料系列的代表性。

點繪吉勒德水文站模比系數差積曲線，參見圖1。從圖中可以看出，整個系列包含有一個完整的大、小洪水年群（周期），經歷了一個完整的降落段與漲升段，只是峰、谷出現時間有所不同。即1977年～1988年為大洪水年群，歷時12年，1989年～1997年為小洪水年群，歷時9年；其中還包含大、小洪水年組，1954年～1976年為小洪水年組，歷時23年，1998年～2018年為大洪水年組，洪水系列具有一定代表性。

圖1 吉勒德水文站洪峰流量模比系數差積曲線圖

6 設計洪水

根據本次防洪規劃工作要求，需要分別推算出各設計洪水計算斷面設計頻率為 0.1%、0.2%、0.33%、0.5%、1.0%、2.0%、3.33%、5.0%和10.0%的設計洪峰流量，作為規劃設計部門的設計依據。

根據四棵樹河各斷面所處位置情況，不同河段設計洪水分析計算的基本思路如下：

（1）首先計算吉勒德水文站斷面設計洪水，以吉勒德水文站斷面作為洪水計算起始斷面，推算各河段計算斷面設計洪峰流量。

（2）吉勒德水文站上游河段各洪水計算斷面設計洪峰流量的推求，采用洪峰模數法。

（3）對處于徑流散失區的計算斷面，由于洪水沿程不僅沒有區間水量匯入，相反，在沿程演進過程中不斷坦化、滲漏損失。對這幾處計算斷面設計洪水的推算，依據吉勒德站實測洪水資料和各計算斷面野外洪水調查資料，計算衰減率，推求出各計算斷面的設計洪水。

其中察汗烏蘇溝匯合口斷面設計洪峰流量計算采用最大值疊加法。

6.1 吉勒德水文站設計洪峰流量計算

根據四棵樹河流域唯一具有實測洪水資料的吉勒德水文站洪水系列，以及1982年塔城水文水資源勘測局對流域內1945年8月發生的特大暴雨洪水調查值（350 m3/s）進行分析[1]，將1945年調查歷史洪水加入實測洪水系列中，重現期按T=63年不連序系列處理，頻率曲線選用P-Ⅲ型曲線，在適線時，主要考慮理論頻率曲線與經驗點據擬合較好為原則，進行目估適線。

加入特大值后的不連序系列設計洪峰流量經驗頻率按下式計算：

剔除特大值后的連序系列按下式計算經驗頻率：

式中：P為設計頻率，%；M為特大值排序；N為特大值重現期；L為連序系列中特大值個數；a為特大值個數。

對于不連序系列，各階樣本矩及統計參數的計算公式為：

吉勒德水文站設計洪水統計參數及計算成果見表1，適線結果見圖2。

表1 吉勒德水文站設計洪峰流量成果表 單位：m3/s

圖2 吉勒德水文站洪峰流量頻率曲線圖

6.2 察汗烏蘇溝設計洪峰流量計算

察汗烏蘇溝位于吉勒德水文站下游13 km處的左岸，溝口以上集水面積130 km2，溝長24.5 km，河道縱坡降為60.3‰，其設計洪峰流量分析計算采用地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法。

對于缺少洪水資料的中小流域，利用鄰近流域洪水資料點繪地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線圖，推求設計流域設計洪水，是目前解決無資料地區設計洪水的一種有效方法。

在此，選取同一氣候分區內的精河山口站、八音溝河喇嘛廟站、瑪納斯河肯斯瓦特站、塔西河石門子站及設計流域四棵樹河吉勒德站共五站實測洪峰流量資料，進行計算。

從地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線上可得到調查洪水及不同設計頻率洪峰流量模比系數，見表2、表3及圖3。

表2 地區洪峰流量模比系數設計K值計算成果表

表3 察汗烏蘇溝斷面設計洪峰流量成果表 單位：m3/s

圖3 洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線圖

6.3 察汗烏蘇溝匯合口斷面設計洪峰流量計算

由于察汗烏蘇溝匯合口至吉勒德水文站區間沒有較大的支流匯入，所以，察汗烏蘇溝匯合口設計洪峰流量計算可以從以下方面考慮：將吉勒德站設計洪峰流量經過衰減損失后到達察汗烏蘇溝匯合口，與察汗烏蘇溝設計洪峰流量進行疊加，即為所求的察汗烏蘇溝匯合口斷面設計洪峰流量值。其成果見表4。

根據以上洪水分析計算的基本思路與計算方法計算出四棵樹河河道防洪規劃各計算斷面設計洪峰流量計算成果匯總表，見表5。

表4 察汗烏蘇溝匯合口計算斷面不同頻率設計洪峰流量成果表 單位：m3/s

表5 四棵樹河各防洪計算斷面設計洪峰流量成果匯總表 單位：m3/s

7 結語

烏蘇市四棵樹河河道防洪洪水分析計算，根據防洪規劃工作大綱的要求，對各個防洪節點斷面的設計洪水，采用了不同的方法，根據本次防洪規劃工作要求，分別推算出各設計洪水計算斷面設計頻率為 0.1%、0.2%、0.33%、0.5%、1.0%、2.0%、3.33%、5.0%和10.0%的設計洪峰流量，作為規劃設計部門的設計依據。缺乏區域洪水及暴雨資料，給設計洪水的分析計算帶來了一定的難度。特別是暴雨洪水，無規律可循，隨機性很強，預測難度大。由于資料的局限性，使成果的精度受到一定的影響，因此，在防洪規劃實施中，對此類非工程措施應給予足夠的重視，建議加強區域洪雨水資料的收集、監測，提高防洪預警能力，保證城市經濟的健康發展。