和靜縣防洪工程洪水計算方法探析

馬 越

(新疆巴音郭楞水文勘測局，新疆 庫爾勒 841000)

發源于天山東部依連哈比爾尕山的鞏乃斯河，是新疆第一大河——伊犁河上的第三大支流，河流全長為274.5 km，流域集水面積為4 123 km2。鞏乃斯河上游為峽谷段，河床狹窄、陡峻、水流湍急；下游河灘寬闊，水流平穩集中。春夏季水量豐沛，秋冬季為枯水期。鞏乃斯河上游的和靜縣鞏乃斯鎮，共有農牧民8 230人，當地河道沒有堤防，經常遭受洪水災害。為了防洪保安需要，規劃此處新建堤防4.225 km，為此，需對工程處洪水進行探討。

1 概況

鞏乃斯河流域東、南、北三面環山，地勢東高西低，東窄西寬，由東向西傾斜敞開呈喇叭狀。境內山脈呈東西走向，綿延起伏，鞏乃斯河及其支流恰甫河自東向西橫貫其中，構成三山夾兩川的獨特地形。鞏乃斯河屬寒溫帶大陸高原氣候，降水主要集中在春夏兩季，多年平均降水量827.3 mm，年最大、最小降水量分別為1 139.7 mm和653 mm，分別發生在1970年和1974年。年蒸發量為1 025.7 mm。

2 洪水類型及特性

影響鞏乃斯河洪水的主要條件是氣候條件(如氣溫和降水)和下墊面條件(如地形、地質、土壤、植被、冰川等)。鞏乃斯河洪水的成因有三種：

2.1 融水洪水

此類洪水分兩種：一種是季節性積雪融水洪水，另一種是高山冰雪融水洪水。季節性積雪融水洪水主要發生在3-5月份，由中低山和沖積扇坡面積雪融化形成洪水；高山冰雪融水洪水，主要發生在6-8月份，此時氣溫一般都比較高，零度層高度一般在4 000 m以上，高山冰雪融化形成洪水。

融水洪水過程與氣溫變化過程很相似，一日一峰，氣溫高，洪峰流量大，氣溫低，洪峰流量小。鞏乃斯河的洪水歷時約為5～7日。此類洪水發生次數很多，洪峰流量較高，次洪量也較大，常產生洪水災害，是鞏乃斯河的主要洪水類型之一。

2.2 暴雨洪水

此類洪水多發生在暴雨多發的夏季，洪水過程無明顯的日變化，為獨立的峰型，陡漲陡落，洪峰很高，但洪量不很大，鞏乃斯河洪水歷時一般為5～7天。此類洪水雖然發生次數不多，但洪水來勢兇猛，摧毀力極強，是防洪的主要洪水類型。

2.3 混合型洪水

此類洪水主要發生在4～5月份，此時期新源縣氣溫一般都較高，冰雪融水量較大，又正值新源縣雨季，暴雨頻繁，極易造成暴雨與融冰雪水混合形成洪水災害。此類洪水過程亦有明顯的日變化，洪水歷時較長，峰高量大，是造成較大洪水災的洪水類型。

3 參證站洪水分析

鞏乃斯河流域內建有某水文站、種羊場站和某專用站。某水文站1960年7月建站，觀測至今，觀測項目有：水位、流量、泥沙、水溫、冰清、降雨、蒸發等。種羊場站1956年10月建站，于1960年7月撤站。某專用站建于1967年11月26日，主要承擔天山道路雪崩和風吹雪治理課題。結合各站資料實際情況，本此設計優先選用某水文站作為本次水文分析計算的參證站。

3.1 洪水系列三性分析

3.1.1 參證站設計洪水系列可靠性分析

鞏乃斯河某水文站1960年7月建站觀測至今，是國家基本測站，水文測驗、數據采集和資料整編均執行國家行業規范和標準，經測站初步整編、巴州水文局審查與區水文局復審，整編資料達到國家行業規范刊印要求，資料成果可靠，精度較高。

3.1.2 參證站設計洪水系列一致性分析

在較大洪水時，基本不引水，可以認為其歷年洪水資料系列基本沒有受到引水的影響。同時，該站觀測期內產生洪水系列資料的流域和河道的產流、匯流等條件無根本性改變。因此，使用鞏乃斯河某水文站1961-2010年的洪峰流量系列，具有一定的一致性。

3.1.3 參證站設計洪水系列代表性分析

1)長短系列統計參數對比分析

對參證站某水文站1961-2010年的實測洪峰流量按不同系列長度作統計參數計算，并與長系列比較，見表1。由表1可知，不同長度系列洪峰流量的均值和Cv值，隨系列長度的增加而誤差不斷減小。當系列長度達到40年以上時，與長系列比較均值誤差小于5.2%，Cv值誤差小于-9.3%。這表明，當參證站洪峰流量系列長度達到40年以上時，各統計參數已基本趨于穩定。

表1 參證站長短系列年最大洪峰流量統計參數對照表

2)洪峰流量模比系數差積曲線分析

由參證站某水文站1961-2010年的洪峰流量系列，統計并繪制模比系數差積曲線如圖1。分析圖1可知，某水文站洪峰流量系列中包含有一個完整的豐、平、枯水過程，1961年至1984年的20多年間，是鞏乃斯河某水文站的小洪水段；1985年至1995年為平水段；1996年之后進入一個大洪水段，洪水周期約為40年。

圖1 某水文站最大洪峰流量模比系數差積曲線圖

3)洪峰流量模比系數累積平均曲線分析

對參證站某水文站1961-2010年的洪峰流量系列，從2006年向前統計并繪制洪峰流量模比系數累積均值過程線如圖2。由圖2表明，某水文站的洪峰流量模比系數累積均值，當系列長度達到40年之后，已逐漸趨近于1。這說明當系列長度達到40年之后，某水文站洪峰流量的均值是比較穩定的。

圖2 某水文站最大洪峰流量模比系數累積均值曲線圖

以上分析說明，鞏乃斯河某水文站洪水系列包含了較完整的洪水變化過程，信息較豐富。因此，某水文站1961-2010年50年洪水系列具有一定的代表性。

綜上所述，鞏乃斯河某水文站實測洪峰流量系列有一定的一致性和代表性，可以滿足設計洪水計算的要求。

3.2 洪水計算

本次收集了某水文站1961-2010年實測洪水資料，組成共51年連續洪水系列。采用某水文站1961-2010年洪峰，用P-III型曲線進行適線，矩法估算參數，適線法適線，目估定線，適線時側重照顧中高點據，水文站洪峰頻率曲線見圖3，洪水設計成果見表2。

圖3 鞏乃斯河某水文站年最大洪峰流量頻率曲線圖

3.3 洪水復核

通過現場實際調查訪問，2011-2017年，鞏乃斯河未發生特大洪水，因此某水文站洪水系列不受影響，其洪水洪峰流量均值仍為166 m3/s。

4 工程處設計洪水分析

4.1 工程場址設計洪水計算

由于本次治理河段位于某水文站上游，暴雨和植被條件差別不大，匯流條件基本一致，本次治理河段設計洪水根據某水文站1961-2010年實測洪水資料采用水文比擬法計算，堤防治理工程末端以上流域面積641 km2，某水文站站址以上集水面積4 123 km2，計算公式為：

(1)

式中：QS為設計斷面流量，m3/s；QC為參考斷面流量，m3/s；FS為設計斷面集水面積，km2；FC為參考斷面積水面積，km2；K為面積指數。

由于堤防治理河段距離某專用站河道距離較近，故面積指數K值參考1992年某專用站(集水面積984 km2)實測洪峰流量52.2 m3/s與該年某水文站實測值91.4 m3/s確定。經分析，面積指數選取K=0.39。根據上述，直接移用某水文站設計洪峰流量統計參數，計算得本次堤防治理河段設計洪峰流量成果見表2。

表2 鞏乃斯河某水文站與防洪工程(二期)段設計洪水表

4.2 設計洪水成果的合理性分析

(1)本次采用某水文站為計算的參證站，洪水系列采用實測1961-2010年共50年洪水系列，并組成連續洪水系列進行設計洪水計算，資料系列長度符合規范要求。

(2)本次治理河段位于某水文站上游，與某水文站是上下游關系，洪水的形成機制和豐枯變化基本一致且成因果關系，故直接引用某水文站的設計洪水計算參數是合理的。

4.3 分期洪水計算

根據設計需要，本次分期洪水分為2個時段，分別為4-8月、9-3月。其中，4-8月為主汛期，其設計洪水成果采用年最大成果。

4.3.1 計算思路

本次分期設計洪水主要采用流量資料進行計算，計算方法與工程場址斷面設計洪峰流量相同。由于工程場址斷面處無長系列洪水資料，按照區域洪水特性，以某水文站為參證站，對參證站某水文站9-3月的分期洪水進行設計計算，適線法計算參證站9-3月最大洪峰流量的統計參數和不同頻率的設計值，以洪峰模數法推算工程場址處9-3月的多年平均洪峰流量值，再以參證站的分期設計洪水的統計參數Cv、Cs/Cv值，推算工程場址處的分期設計洪水。

4.3.2 工程河段分期洪水計算

根據參證站1961-2010年9-3月的實測最大洪峰流量系列，采用矩法計算各統計參數，并經P—Ⅲ型曲線適線優選確定采用參數。適線時考慮與經驗點據擬合和工程施工安全等因素，對Cv、Cs值進行適當調整。根據參證站9-3月分期洪水設計成果及不同設計頻率的Kp值，以洪峰模數法計算本次防洪工程河段9-3月不同設計頻率的設計最大洪峰流量，計算結果見表3。

表3 鞏乃斯河某水文站與防洪工程(二期)段9-3月月設計洪水表

5 結語

為了確保鞏乃斯河和靜縣鞏乃斯鎮段防洪工程的順利實施，在沒有水文監測資源的情況下，以洪水情況相近的工程處下游的某水文站為參站證，采用水文比擬法和洪峰模數法計算出工程處及施工期不同設計頻率的洪峰流量，工程處洪水多年均值為80.3 m3/s，10年一遇洪水為129 m3/s。施工期9-3月多年均值為33.7 m3/s，10年一遇洪水為52.3 m3/s，為工程建設提供科學依據，可供水文資料缺乏區進行洪水計算借鑒。