吐魯番市白楊河洪峰流量衰減變化探析

艾力夏提·阿地里

（吐魯番水文勘測局，新疆 吐魯番838000）

1 概況

白楊河發源于博格達山南麓，河流上游支流較發育，自西向東依次排列有柳樹溝河、白楊溝河、黑溝、阿克蘇溝和高子溝。山口后穿過達坂城盆地峽口處匯合，統稱為白楊河。干流自峽口起，向東南穿越長約30 km的白楊河峽谷段，出峽谷后折向西流，改稱達坂城蘇，部分水量通過巴依托海渠向西南流15 km，于右岸接納了來自發源于恰克馬克山南麓的克爾堿河后折向東南流，穿越紅山溝，又流約38 km在托克遜縣成西側與阿拉溝河匯合。白楊河水系形狀呈扇形樹枝狀，主河道長63 km，峽口以上集水面積2050 km2，河源有較多的冰川及高山積雪。

白楊河艾丁湖橋斷面，位于托克遜縣夏鄉大地村和吐魯番市艾丁湖鄉交界處，工程項目位置（K節點）示意見圖1。阿拉溝發源于天格爾山南側，在托克遜縣城西側注入了白楊河，再向東經過夏鄉各鄉村注入吐魯番盆地最低點——艾丁湖。白楊河、阿拉溝流域同屬塔里木內陸區的艾丁湖水系，共包括白楊河、阿拉溝、魚爾溝、祖魯木圖溝、烏斯通溝、柯爾堿溝六條河溝，徑流形成區面積約8727 km2。

圖1 白楊河水系示意圖

2 歷史洪水調查

托克遜縣在歷史上曾多次遭受洪水災害。1996年7月20日白楊河、阿拉溝同時發生洪水，造成直接經濟損失多達1.76億元。2011年5月10日，吐魯番水文局組織技術人員對此次洪水在白楊河大地村斷面進行了洪水調查。2013年4月18日，又組織技術人員在白楊河牧場公路工程艾丁湖橋斷面對此次洪水進行了再次調查。兩次調查計算結果見表1。

表1 洪峰流量（比降法）調查計算成果表

在白楊河流域中，阿拉溝水文站調查到實測年份以外的大洪水有1953年，洪峰流量為307 m3/s，還有兩次實測年份以內的大洪水，一次是1996年洪峰流量為490 m3/s，排位第一；第二次是1998年，洪峰流量為321 m3/s，排位第二；1953年洪峰流量307 m3/s，排位第三。1996年白楊河峽口站638 m3/s洪峰流量，在白楊河55年實測系列中雖然排位第一，但洪峰量值與阿拉溝排位第二、三位洪水并無十分顯著偏大；1953年調查值比1996年、1998年洪峰流量尚小，其意義不大。因此本次設計洪水計算，以實測年最大洪峰流量為樣本，即白楊河1996年洪水為1956年有水文資料以來排位第一。

3 設計洪峰流量計算

3.1 洪峰流量計算思路

阿拉溝及周邊三條溝都屬同一個流域，該流域降水一般是從西方入境，按產匯流的理論則應從源頭逐漸至出山口，其各溝基本上是自西而東，隨雨路方向洪峰流量大體上應同時抵達出山口。雖然各河溝先后稍有差異，但為保證安全起見，則應考慮阿拉溝洪峰流量加上魚爾溝、祖魯木圖溝、烏斯通溝同時出現洪水疊加的概率。為此直接將各河洪峰流量相加，然后按入城斷面調查成果，計算入城斷面處洪峰總坦化損失量，最后計算出設計洪峰流量。白楊河洪峰流量計算方法與阿拉溝類似。

3.2 阿拉溝水文站設計洪峰流量計算

阿拉溝水文站位于阿拉溝河出山口，至今有完整的55年洪水系列資料，洪水的經驗頻率及頻率曲線統計參數估算，用連序系列計算公式（1956年～2010年），計算公式如下：

式中：n為系列項數；Pm為按大小順序排位的第m項洪水的經驗頻率；xi為實測洪水變量（i=l+1，…，n）；x為洪水變量均值；Cv為洪水變量變差系數；Ki為為模比系數，采用經驗法、人工適線確定。

用上述統計參數計算公式初步估計參數，將這些參數作為下一步適線調整的初始值，然后采用適線法來調整上述初步估計的參數，以獲得一條與經驗點據擬合良好的頻率曲線。計算結果見表2。

表2 洪峰流量成果

3.3 白楊河設計洪峰流量計算

白楊河峽口水文站有32年不連續實測洪峰資料，其中洪水資料系列發生時間年份只有14年，不夠進行插補延長。經阿拉溝站和白楊河峽口站洪水發生時間的對應性分析，兩條河年最大洪峰流量同步發生年份為7年，占14年實測年份的50%，其他年份雖然年最大洪峰流量發生時間不同步，但其中一條河發生最大洪峰流量時，另一條河也同時有洪水發生，說明阿拉溝站和白楊河峽口站洪水具有較好同步性。同時阿拉溝、白楊河同處天山中段，同受天山山區大尺度天氣過程影響，河流集水區，下墊面條件相近，“兩河”洪水具有較相似的物理成因，因此可用阿拉溝和白楊河峽口洪峰流量做相關分析，相關系數R＝0.7639，N＝32通過信度（0.01）檢驗，相關關系比較好。其相關圖見圖2，相關方程為：Q白楊河＝0.8904Q阿＋8.0364。

圖2 阿拉溝站與白楊河峽口站洪峰流量相關圖

經插補的55年洪水系列資料，用P-Ⅲ型曲線按不連續系列適線，進行頻率分析計算，統計參數及設計洪峰流量計算成果見表2。

3.4 洪峰沿程坦化、損失率計算

根據白楊河、阿拉溝河歷年洪水資料及調查分析可知，洪峰在到出山口并與各支流匯合后出現最大洪峰，出山口后進入散失區即沿途大量下滲衰減。為搞清白楊河、阿拉溝河洪峰衰減規律，在歷史洪水分析的基礎上，選用1996年7月20日特大洪水作為典型洪水，對洪水衰減進行分析研究。洪水衰減原因主要有以下幾方面：

（1）洪水前期區域內極度高溫，長時間無降水，下墊面干枯；

（2）出山口以后，白楊河出山口至托克遜縣城93 km，阿拉溝出山口至托克遜縣城60 km，沿岸無任何植被；

（3）白楊河、阿拉溝河沿河一帶均為第四紀沉積層，河床質多為礫石和細沙巖土，極有利于水分下滲；

（4）白楊河、阿拉溝河出山口后即形成較寬漫灘，河槽不明顯，尤其是阿拉溝河，最寬處達5 km。

綜合以上氣候及下墊面因素，長距離演進、河面寬泛、河床下滲損失嚴重是洪峰急劇衰減的直接原因。

3.4.1 阿拉溝河洪峰衰減率

以1996年7月20日洪水為例，阿拉溝水文站最大洪峰流量490 m3/s（實測），加上魚爾溝89.4 m3/s（調查）、祖魯木圖溝90.6 m3/s（調查）、烏斯通溝137 m3/s（調查），出山口洪峰流量為807 m3/s。經過36 km沿途下滲損失，到達賽日墩進入白楊河縣城段僅有253 m3/s（調查），出山口后總衰減率達69%，平均每公里衰減1.92%。

3.4.2 白楊河洪峰衰減率

1996年7月20日白楊河峽口處調查到最大洪峰流量為638 m3/s（調查），區間后溝內有14條山洪溝共加入200 m3/s（調查），占小草湖斷面洪峰流量的25%；到小草湖段洪峰流量達811 m3/s（調查）；經過13 km到巴依托海渠首為699 m3/s（計算）；在經過46 km到達白楊河縣城段后僅剩358 m3/s（調查），出山口后總損失率達56%，平均每公里衰減1.22%。

3.5 白洋河托克遜縣城段設計洪峰流量計算

以1996年7月20日特大洪水洪峰的沿程衰減過程和歷史洪水洪峰衰減過程為依據，并將洪峰衰減率直接移置到各工程節點，最后求出經損耗后進入托克遜縣城段設計洪水的洪峰流量。工程節點洪峰經疊加后設計洪水成果見表3。

表3 白楊河、阿拉溝各節點設計洪水洪峰流量計算成果表

3.6 白楊河大地村設計洪峰流量計算

白楊河大地村斷面位于夏鄉東南部大地買里村，距離托克遜縣城以下12.4 km。以白楊河、阿拉溝匯合后的設計洪峰流量為依據，以12.4 km向下游逐級推算即可得到白楊河大地村斷面設計洪峰流量。本次成果分別使用兩個河道洪峰衰減系數計算，兩種計算成果相差不大，為偏于安全考慮本次推薦采用使用白楊河河道衰減率推算成果。工程場址處50年一遇設計洪峰流量為436 m3/s，與1996年洪水調查成果428 m3/s偏大1.8%，可確定計算結果是合理的。計算成果見表4。

4 白楊河艾丁湖橋斷面設計洪峰流量計算

白楊河艾丁湖橋斷面距白洋河穿越斷面15.4 km。根據工程場址洪水調查資料，計算其洪峰流量沿程每公里相對衰減損失率：

式中：Ki為洪峰流量沿程每公里相對衰減損失率；Qms為上游調查斷面洪峰流量，m3/s；Qmx為下游調查斷面洪峰流量，m3/s；LSx為上下游調查斷面之間的距離，km。

經計算，洪峰流量衰減損失率為4.7%。

設計斷面洪峰流量計算公式如下：

式中：Qgp為設計斷面設計洪峰流量，m3/s；Qsp為上游調查斷面設計洪峰流量，m3/s；KP為洪峰流量沿程每公里相對衰減損失率；LSg為設計斷面距上游站距離，km。

以15.4 km向下游逐級推算即可得X059岔口到恰特喀勒鄉牧場公路工程白楊河艾丁湖橋斷面設計洪峰流量，計算成果見表4。

表4 白楊河艾丁湖橋斷面設計洪峰流量計算成果表

經過洪水衰減研究，確定白楊河1996年大洪水為50年一遇，工程場址處50年一遇設計洪峰流量為120 m3/s，與1996年洪水調查成果118 m3/s偏大1.6%，可以認為此次設計成果合理。

5 結語

月20日白楊河和支流阿拉溝洪水為研究對象，通過對其沿程衰減及變化的討論，推算出其沿程不同段的洪水衰減率，進而推算出白楊河艾丁湖橋斷面50年一遇設計洪峰為120 m3/s，其計算方法和思路可供同類洪水衰減分析進行參考借鑒。