工程調節下新疆二塘溝河水文計算與分析

趙付勇

(吐魯番市水利水電勘測設計研究院,新疆 吐魯番 838000)

1 項目概況

二塘溝發源于東天山博格達山南坡，流域坡度大，水流湍急，干流自源頭由西向東流，沿途兩岸先后接納庫烏克河、加干蘇河及喀日阿依提河后轉向南，左岸下游接納肯克薩依河、希克吉勒嘎河和科斯托郭勒河等較大支流，河流在二塘煤礦村流出山口，山口以上為徑流形成區；河流出山口后形成沖洪積傾斜平原，穿過火焰山到達色爾克甫溝溝口，最終匯入艾丁湖。

色爾克甫二閘引水渠首位于二塘溝下游色爾克甫溝出山口處，距二塘溝水庫54.2 km。二塘溝水庫至色爾克甫二閘引水渠首區間建有二塘溝一閘至二塘溝五閘5座引水渠首，二塘溝水庫以上建有二塘溝水文站[1]。

本次色爾克甫二閘引水渠首除險加固設計洪水標準為20 a一遇(P=5%)，校核洪水標準為50 a一遇(P=2%)，根據區間各工程調節情況對其進行水文計算與分析。

2 水文基本資料

二塘溝河設有二塘溝水文站，屬國家基本站，觀測年份為1992—2011年。煤窯溝與二塘溝均發源于天山南坡中高山區，同處一個氣候區內，水汽對流域影響較為一致，流域概況基本相同，河流均呈北南平行流向。二塘溝水文站與煤窯溝水文站集水面積、冰川條數、河流特征及特性較相似。兩站20 a徑流系列相關分析系數0.895，年徑流量過程具有一定同步性，因此選用煤窯溝水文站為徑流和洪水參證站，觀測年份為1956—1958年、1960—1967年、1969—1972年、1976—2011年[2]。

3 徑流計算

3.1 參證站設計年徑流量計算

煤窯溝站多年平均年徑流量采用56年系列算術平均值0.8083億m3，徑流系列頻率計算采用P-Ⅲ型理論曲線，統計參數Cv值為0.22，Cs/Cv比值為2.0，設計年徑流量成果如表1所示[3]。

表1 煤窯溝站設計年徑流量計算成果

3.2 二塘溝站設計年徑流量計算

考慮二塘溝站實測系列僅有20 a，對二塘溝站設計年徑流量采用長、短系列訂正法和徑流深等值線圖法分別計算。利用參證站進行長、短系列訂正采用公式(1)計算:

(1)

徑流深等值線圖采用公式(2)計算:

(2)

表2 二塘溝站設計年徑流量計算成果

3.3 色爾克甫二閘引水渠首天然來水條件下設計年徑流量

天然來水條件下計算色爾克甫二閘設計年徑流量，不考慮二塘溝水庫蓄水及通過二塘溝一閘向灌區引水和灌區在下游退水的影響，僅考慮河流水量不受人為影響下的變化過程。二塘溝專用站至二塘溝三閘斷面以上為徑流產流區，二塘溝三閘斷面以下為大片戈壁，無支流匯入和支出，為徑流散失區。

3.3.1 徑流量產流計算

二塘溝一閘與二塘溝專用站區間面積102 km2。占一閘以上控制面積的22.9%，根據多年平均徑流深等值線圖量算其區間產水量為0.0236億m3，二塘溝三閘與一閘區間面積60 km2，其區間多年平均產水量為0.0093億m3。

3.3.2 徑流量損失估算

二塘溝河無徑流損失試驗數據，選用鄰近及相似流域瑪納斯河徑流損失試驗數據，采用其年平均每公里損失率進行估算如式(3)所示:

W損=W上×Kp×Lsg

(3)

式中：W損為設計斷面設計年徑流量,m3；W上為上游斷面設計年徑流量,m3；Kp為沿程每公里損失率,km-1；Lsg為設計斷面距上游站距離,m。

由各區間水量、損失量疊加得到二塘溝專用站、一閘、三閘和色爾克甫二閘引水渠首天然條件下設計年徑流量成果，如表3所示。

表3 二塘溝專用站、一閘、三閘和色爾克甫二閘引水渠首天然條件下設計年徑流量成果 億m3

3.4 色爾克甫二閘引水渠首設計工況下設計年徑流量

色爾克甫二閘上游地表水一部分由二塘溝水庫蓄水后向下游灌區輸送，另一部分由二塘溝一閘渠首引水后輸送至下游灌溉區，著重考慮二塘溝水庫和下游各灌區用水情況后的設計徑流量成果。

水庫徑流調節計算按淤積30 a后庫容進行計算，根據河道P=85%的來水狀況，計入死庫容209萬m3，水庫所需調蓄庫容為1834.2萬m3；P=50%的來水狀況，水庫所需調蓄庫容為 1822.2萬m3。

二塘溝一閘引水渠首與二塘溝水庫壩址區間面積91 km2，根據平均徑流深等值線圖量算其區間產水量為0.0194億m3，采用二塘溝專用站統計參數Cv=0.22、Cs/Cv=2.0，計算其不同保證率設計值。相同方法計算二塘溝一閘和三閘之間洪溝，處于等值線5～50 mm之間屬于產流區，三閘至匯合斷面區間為大片戈壁，無支流匯入，區間產水量忽略不計。考慮干渠損失，水利用率采用0.98，平均每公里損失率為0.54%。得到色爾克甫二閘引水渠首設計工況下設計年徑流量成果，如表4所示。

表4 色爾克甫二閘引水渠首設計工況下設計年徑流量成果 萬m3

4 洪水計算

以1996年7月20日洪水過程為例，二塘溝河和煤窯溝河洪水成因及洪水過程基本相似，其洪水過程對比如圖1所示。

圖1 二塘溝站和煤窯溝站1996年最大洪水過程對比

4.1 參證站設計洪水計算

煤窯溝站連續洪峰流量系列有36 a(1976—2011年)，其中洪峰流量把1969年洪水作為特大值處理，得到設計洪峰流量成果，如表5所示。

表5 煤窯溝站設計洪峰流量成果

4.2 二塘溝站設計洪水計算

二塘溝站有1957年、1992—2011年實測洪水資料，加1939年和1991年調查資料，共有23 a洪水系列資料，系列較短。采用洪峰流量模比系數地區綜合法和長、短系列訂正法計算洪水。兩種方法計算結果相近，可取其平均值作為設計洪水計算成果，如表6所示。

表6 二塘溝站設計洪峰流量成果對比

4.3 二塘溝水庫洪水調節計算

二塘溝水庫位于二塘溝水文站下游1 km處，區間集水面積為11 km2，區間無支流匯入，直接引用二塘溝站設計洪水成果。二塘溝水庫大壩下游防洪標準、設計洪水標準、校核洪水標準分別為20 a一遇、50 a一遇、1000 a一遇，其相應最大洪峰流量分別為328 m3/s、461 m3/s和924 m3/s，安全泄量為200 m3/s，其調洪成果如表7所示。

表7 二塘溝水庫調洪成果

4.4 色爾克甫二閘引水渠首天然來水條件下設計洪水計算

二塘溝一閘引水渠首與上游二塘溝專用站區間面積102 km2，屬暴雨多發區，缺乏洪水資料，出于偏安全考慮采用二塘溝站洪峰模數法計算成果。根據1984年發生的最大洪峰180 m3/s，其相應二塘溝三閘5 a一遇設計洪峰為193 m3/s，推定二塘溝三閘與色爾克甫引水閘區間洪水衰減率按0.91%/km計算。可得色爾克甫二閘引水渠首天然來水條件下設計洪水計算成果,如表8所示。

表8 色爾克甫二閘引水渠首天然來水條件下設計洪水計算成果 /m3·s-1

4.5 色爾克甫二閘引水渠首設計工況下設計洪水計算

主要考慮二塘溝水庫洪水調節影響，根據調洪后下泄過程線，疊加二塘溝水庫與三閘區間產洪過程，衰減到色爾克甫二閘處，其計算成果如表9所示。

表9 色爾克甫二閘引水渠首設計工況下設計洪水計算成果

5 結 語

色爾克甫二閘引水渠首工程病險嚴重，需對其進行除險加固。通過選取煤窯溝站為參證站，根據實測和調查洪水資料，采用長、短系列訂正法和徑流深等值線圖法對參證站、二塘溝站的設計徑流和設計洪水進行計算，對工程場址處天然來水和工程調節情況下的設計徑流和洪水進行分析和計算，最終得到了工程調節下二塘溝河水文計算與分析結果。通過色爾克甫二閘除險加固工程的實施和水閘運行情況來看，該分析和計算成果是合理的。