托克遜縣阿拉溝水庫下游段河道洪水復核分析計算

柴 揚

(吐魯番市清源水利水電勘測設計院有限公司，新疆 吐魯番 838000)

1 項目所在地理位置

本次分析河段位于阿拉溝水庫下游，分析河段長度為1.6 km 。

阿拉溝水庫位于新疆維吾爾自治區(qū)托克遜縣境內，水庫所在位置距阿拉溝出山口以上3.6 km，距托克遜縣縣城75.3 km，距烏魯木齊市235.3 km，距南疆鐵路魚爾溝車站5.2 km。水庫壩址處的地理坐標為E87°49′20.07″，N42°49′24.74″ 。

圖1 地理位置示意圖

2 工程所在區(qū)域基本情況

2.1 流域概況

阿拉溝河流呈東西走向，最后注入艾丁湖。流域地形西北高、東南低，土壤從河源到出山口依次為高山寒漠- 高山草甸土- 栗鈣土-棕鈣土。

阿拉溝河艾丁湖水系發(fā)源于阿拉溝山北側及天格爾山南側，海拔4 400 m。阿拉溝水系有冰川69條，冰川儲量0.597 5 km3，冰川面積17.10 km2。阿拉溝水文站海拔881.3 m，集水面積1 842 km2。測站阿拉溝河上游段有三大支流于鐵克阿門處交匯，形成阿拉溝干流，三大支流分別為烏拉斯臺溝、阿拉溝、夏爾格溝。上游段雨量豐沛，植被長勢相對較好，是阿拉溝徑流的主要形成區(qū)。中段為水庫壩址區(qū)，即鐵克阿門與阿拉溝水文站之間，本段山勢普遍偏低，雨水減少，無較大支流匯入，每當遭受較大降雨時，特別容易發(fā)生泥石流、山洪等自然災害。下段由水文站至白楊河間、同時與阿拉溝匯合口之間，水文站以下河流沿途由艾維爾溝、祖魯木圖溝以及烏斯通溝流水匯入后進入灌區(qū)，本段河流坡降平緩，泥沙沉積，含沙量減少，以上河長100 km，河道坡度38.7‰，流域平均高程3 080 m。

阿拉溝水庫壩址位于阿拉溝水文站下游約800 m處，控制集雨面積1 851 km2。

2.2 氣象概況

阿拉溝河主要氣候特征為春天氣溫回升較快，有風天氣較多；夏季溫度較高，最高氣溫近50℃；秋季溫度降低較快，天氣晴天較多；冬季短暫、干冷、風小、雪稀。工程所在位置的氣溫、降雨量、蒸發(fā)量等要素統(tǒng)計均采用壩址下游的阿拉溝水文站提供的觀測資料，其它要素借用托克遜縣氣象站觀測資料，如濕度、風、日照等特征值，主要特征值見表1。

表1 主要氣象特征表

3 計算水面線推理

3.1 計算原理及方法

本次分析計算采用 HEC-RAS 進行，主要用于非穩(wěn)定流一維水力、河道系統(tǒng)穩(wěn)定流水力計算，可進行如防洪堤、水庫、橋梁、涵洞的涉水建筑物水面線分析計算，同時可生成分析圖表，如復式河道三維斷面圖、橫斷面形態(tài)圖、流量及水位過程曲線等[1]。

HEC-RAS計算方法主要是把涉水建筑物分為3部分，來計算分析所引起的能量損失。這3部分分別為：①建筑物占用過流斷面時，收縮上游水流斷面引起的能量損失；②水流斷面收縮時，水流在經過建筑物后，擴散引起的能量損失；③各種形式、排列、形狀的建筑物本身所造成的能量損失。

在使用程序計算分析時，要考慮到水位變化時糙率的變化；同時縱向及橫向的糙率對灘地、主河道等的流量分配；還需要同步計算各種形式、排列、形狀的建筑物本身所造成的各種局部阻力。此類方法在實際工程案例中使用較廣，運用比較成熟。能量方程各要素示意圖見圖2。

圖2 能量方程各要素示意圖

根據能量守恒定律推算[2]，公式如下：

式中：Z2、Z1分別為上下斷面河底高程；Y2、Y1分別為上下斷面水深；V2、V1分別為上下斷面平均流速；α2、α1分別為動能校正系數；g為重力加速度；he為水頭損失。

局部損失和摩阻損失兩項組成水頭損失he，計算公式如下：

式中：L為按流量加權長度；Sf為摩阻坡度；C為斷面擴張或收縮系數。

L為流量加權長度，采用下式計算：

式中：Llob、Qlob為左岸灘地距離與流量；Lch、Qch為主河道距離與流量;Lrob、Qrob為右岸灘地距離與流量。

α為動能校正系數，采用下式計算：

式中：At為斷面總面積；Kt為總流量模數；Alob為左岸灘地，Ach為主河道，Arob為右岸灘地面積；Klob為左岸灘地，Kch為主河道，Krob為右岸灘地流量模數。

Sf為摩阻坡度 ，采用下式計算：

式中：Q為流量，m3/s；R為水力半徑，m；n為糙率。

3.2 計算邊界條件

3.2.1 橫斷面

此次計算分析河段的資料為2021年5月實測河道橫斷面，其中包含1.6 km的治理段，布置15個斷面，斷面平均間距106.7 m，最大間距163 m，最小間距50 m。推算水面線的基本依據以實測現狀橫斷面為準，斷面布置詳細內容見表2。

表2 斷面布置情況表

3.2.2 河床糙率

植被、平面形態(tài)及水流流態(tài)、河床組成及床面特性、岸壁特性等因素是影響河道粗糙系數的重要因素，根據外業(yè)實地查勘，并結合《水力計算手冊》(武漢大學)、流域相關水利工程設計資料中的糙率取值，確定水庫下游河道糙率值為0.037，河灘地河道糙率值為0.042[3]。

3.2.3 起推水位

水面線計算采用分析河段末端的 CS15 斷面作為相應河段起始斷面，由 CS15 斷面水位流量關系曲線中相應頻率的洪水水位進行由下至上的水面線推求。結合工程實地勘測和斷面數據，采用曼寧公式計算可以得出該斷面的水位及流量關系。CS15 斷面水位流量關系曲線見圖3。當河段洪峰流量為633.95 m3/s時，相應洪水位為829.70 m。

圖3 CS15斷面水位流量關系

3.3 水面線計算成果

3.3.1 水面線成果

阿拉溝水庫下游分析河段水面線成果見圖4、表3。

圖4 分析河段P=1%水面線圖

表3 設計水面線成果

3.3.2 合理性分析

分析河段水面線基本走勢與深泓線一致，斷面CS3處水面線受到河道收縮及橋梁雍水影響，水位上漲；斷面CS3至斷面CS7之間 ，受兩岸地形影響，河道整體上較窄，水位呈上升趨勢；斷面CS7至斷面CS8之間，地形陡然發(fā)生變化；斷面CS7 以后河道擴張，河段洲灘發(fā)育，河道斷面變寬，水位逐步下降。水面線變化情況符合河道實際情況，因此本次計算水面線成果基本合理[4]。

4 結果分析

4.1 洪水對下游河段影響分析

本次分析范圍為水庫大壩下游1.6 km河段。設計洪水工況下(百年一遇洪水)，阿拉溝水庫最大下泄流量為633.95 m3/s，下游河道兩岸地面基本不會被洪水淹沒。但在 K0+240 處左岸堤防僅比水面線高出0.21 m，K1+172處右岸堤防僅比水面線高出0.17 m，易產生安全風險。洪水對河床及有堤防河段沖刷影響較小，對自然岸坡及河內洲灘沖刷影響顯著，易引起岸坡崩岸、滑塌[5-6]。

4.2 沖刷分析

阿拉溝水庫下泄洪水中泥沙含量較低、流速大，設計工況下，下游洪水流速達4～5 m/s，洪水沖刷能力顯著。由于下游河道河床主要為卵礫石，厚度一般為10～20 m，抗沖能力較好，洪水對河床沖刷影響較小。本次分析范圍內，部分河段未修建堤防，為自然岸坡，抗沖能力較差，且植被覆蓋度較差，受到沖刷易發(fā)生崩岸、滑塌；部分河段修建了堤防，抗沖能力較好；對河內洲灘沖刷影響顯著 。

5 結 論

本次對阿拉溝水庫下游段河道(K0+000～K1+600)進行洪水復核分析計算，通過采用HEC-RAS水面線計算軟件包，對河道系統(tǒng)穩(wěn)定流或非穩(wěn)定流一維水力計算。建議對高度不足的防洪堤進行加高，減輕風險，建立水情監(jiān)控機制，確保安全。結合下游段防洪堤的實施，該分析計算的成果是可靠的。