棋盤河灌區續建配套與現代化改造工程徑流計算分析

孫本國

（新疆維吾爾自治區水文局水文實驗站，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

葉城縣棋盤河中型灌區續建配套與現代化改造工程項目是對棋盤鄉塔爾依格孜支渠12.637km、9村斗渠2.605km、3村斗渠2.321km進行防滲改造。 配套改造渠系建筑物共96座，其中節制分水閘69座、退水閘6座、首端引水閘2座、農橋13座、倒虹吸5座，跌水1座。灌區總面積906.67hm2，水文分析計算斷面有5處：引水口1處，洪溝4處，分別位于棋盤鄉的5村至10村范圍內。調查組對10村上、中、下3個斷面進行了洪水調查。 1987年洪水距今31年， 兼顧1999年洪水和2016年洪水一并調查。 由于出山口以下河段河面逐漸變寬，對本次洪水調查造成一定困難，項目組對當時河道變化情況、河寬等做了調查訪問，并對調查成果進行必要分析，糾正不合理因素，使本次洪水調查結果趨于合理，基本達到洪水水文分析計算的要求。調查到棋盤河1987年發生大洪水時：棋盤鄉10村河段洪峰流量248m3/s，同時計算該斷面2016年洪峰為130m3/s。 1987年8月洪水是棋盤河最大的一次洪水，洪水造成較大災害。 調查時洪痕較清楚，調查成果較可靠。

棋盤河是無水文站的小河流， 需要借用鄰近河流具有長系列水文資料的參證站進行分析計算。 本次分析計算主要選用葉爾羌河卡群水文站和提孜那甫河玉孜門勒克水文站、江卡水文站的水文資料。

2 徑流計算分析

2.1 參證站徑流時空分布特性分析

2.1.1 徑流組成

提孜那甫河屬于冰川融水、 雨雪及地下水混合補給型河流， 提孜那甫河發源于昆侖山北坡科克阿特達板， 河源冰峰雪嶺， 分布著大量的現代大陸冰川、永久積雪和季節性積雪，為消融型洪水提供了豐富的物質條件。 每年夏季，隨著氣溫上升，冰雪消融補給河流，每次大的升溫過程，必然伴隨消融型洪水的發生。 消融型河流最大特點是水量的季節變化很大，全年有70%以上的水量集中在汛期。

2.1.2 徑流年際變化

對江卡站1957—2016年共60年徑流系列分析，多年平均年徑流量8.759億m3，2005年為最豐年，年徑流量12.65億m3，1965年為最枯年，年徑流量5.852億m3，年最大徑流量為最小徑流量的2.16倍。 徑流變差系數Cv值為0.18，由此可見，提孜那甫河的徑流年際變化不大。

2.1.3 徑流的年內變化

提孜那甫河徑流主要由地下水和冰雪混合補給組成。由于冰雪混合補給所占比重較大，徑流季節分布較為集中，因此，徑流年內分配極不均勻，根據江卡站實測徑流資料分析，水量主要集中在夏季（6—8月），占年徑流量73.0%，連續最大4個月（6—9月）徑流量6.63億m3占年徑流量的81.8%， 而連續最小3個月（2—4月）徑流量0.337億m3占年徑流量的4.2%，四季分配不均勻，占年徑流量按大小排列順序為：夏季5.914億m3（6—8月）>秋季1.085億m3（9—11月）>春季0.742億m3（3—5月）>冬季0.361億m3（12—2月），該站多年平均徑流量年內分配如表1。

表1 江卡站多年平均徑流量年內分配 單位：億m3

2.2 參證站徑流系列分析

2.2.1 徑流系列可靠性分析

本次選用江卡站的徑流資料樣本， 自1957—2016年有60年連續徑流資料系列， 符合GB50179—1993《河道流量測驗規范》、SL247—1999《水文資料整編規范》的技術標準，均經新疆水文水資源局審查驗收，已編入國家水文年鑒和水文專用數據庫，因而徑流資料系列是可靠的。

2.2.2 徑流系列一致性分析

提孜那甫河江卡站以上河段無永久性的向外流域的引水、分水等水利工程。 基本屬無人類活動區，即徑流形成區，下墊面條件、降雨入滲、坡面流、蒸發等水平衡要素基本未受人類活動影響， 發生變化十分微弱，同時，上節中已將1974—2006年玉孜門勒克站的逐年徑流量訂正合并到江卡站資料系列中，使江卡站徑流資料從1957—2016年達到60年系列長度，因此徑流系列具有一致性。

2.2.3 徑流系列代表性分析

根據延長后江卡站天然年徑流量系列進行系列代表性分析。

2.2.3.1 長短系列統計參數對比分析

參證站年徑流量長短系列統計參數對照如表2。

表2 江卡站不同長度徑流系列統計參數對照 單位：億m

從表2可看出， 徑流年際變化不大，20年以下短系列年徑流量均值與長系列相比， 其最大差值在6.86%以內； 短系列Cv值與長系列相比，20年以下短系列最大差值達到4.1%。隨著系列長度的增加，年徑流量系列均值及Cv值逐漸趨于穩定， 且與長系列相比變幅逐漸減小。當系列長度達40年以上時，短系列年徑流量均值與長系列差值穩定在2.01%以內，短系列Cv值與長系列差值穩定在2.79%以內。說明參證站1957—2016年60年徑流系列已有一定代表性。

2.2.3.2 模比系數差積過程線分析

年徑流量模比系數差積曲線反映了年徑流量的豐、枯水變化周期。選用系列若已經包含了比較完整的豐、平、枯水周期，則說明選用系列具有一定代表性。 圖1是參證站年徑流量模比系數差積曲線。 從圖中可見，1957—1965年為枯水段，1966—1967年為豐水段，1968—1980年為枯水段，1981—1998年為平水段（其間有小的豐、平、枯過程），1999—2016年為豐水段。 故選用參證站徑流系列，覆蓋了一個完整豐、平、枯水年過程，具有了較好的系列完整性。

圖1 江卡站年徑流量模比系數差積曲線

2.2.3.3 模比系數累積平均過程線分析

圖2是參證站年徑流量模比系數累積平均曲線。從圖中可知，當系列長度達到40年后，模比系數平均值就趨近于1，且逐漸穩定。 說明選用參證站徑流系列長度達40年以上時就有一定的代表性。

圖2 江卡站年徑流量模比系數累積平均曲線

2.3 參證站設計年徑流量

2.3.1 卡群站

將卡群站（1954—2016年）年徑流資料進行頻率計算，理論頻率曲線采用P－Ⅲ型曲線，適線時側重考慮平、枯水年的點據，得到不同設計頻率年徑流量成果，分別如表3和圖3。

表3 卡群站不同保證率設計年徑流量成果

圖3 卡群站年徑流頻率曲線

2.3.2 江卡站

根據江卡站1957—2016 年60年年徑流量資料進行計算，按P-Ⅲ型頻率曲線適線優選計算得出的參證站統計參數計算成果， 即可計算出參證站不同頻率下的設計年徑流量， 江卡站設計年徑流量成果如表4，江卡站設計年徑流量頻率曲線如圖4。

表4 江卡站設計年徑流量成果

圖4 江卡站設計年徑流量頻率曲線圖

2.4 棋盤河引水口斷面設計年徑流計算

水文比擬法是將參證流域的徑流資料為特征參數、 分析成果按要求有選擇的移置到設計流域上來的一種方法， 本次選用以上2個參證站的徑流模數估算引水口設計徑流量， 引水口流域面積1030km2。 計算公式如下：

Wp=Mcp×F

式中 Wp為程節點斷面設計年徑流量（億m3）；Mcp為參證站設計徑流模數（億m3/km2）；F為引水口斷面以上集水面積。

按上式計算的引水口斷面設計年徑流成果如表5，棋盤河是葉爾羌河右岸支流，推薦以卡群站推算的引水口設計年徑流成果。

表5 引水口設計年徑流量成果 單位：億m3

3 典型年的選擇及設計年徑流量月分配

3.1 代表年選擇原則

典型年的選擇主要依據原則為： 典型年徑流量應盡量與設計代表年相接近； 重點考慮年內分配極不均勻年作典型年；同時有幾個年份滿足條件時，則應選擇灌溉期內最枯年份作為典型年。 根據上述原則， 從卡群站實測年徑流系列中， 分別選擇出1984，1970，1979年分別為保證率25%，50%，75%的典型年；95%典型年選擇了與設計年徑流相近的5個年份， 其所有典型年1—5月各月占年量百分比均大于卡群站多年相應各月占年量百分比， 因此只好選用保證率為75%的典型年作為95%的典型年。

3.2 同倍比縮放方法

選擇出的典型年采用同倍比縮放法推求出渠首處設計年徑流量月、年分配，計算公式如下：

Kp=Wp/Wd

式中 Kp為同倍比縮放系數；Wp為設計年徑流量（億m3）；Wd為典型年徑流量（億m3）。 計算結果如表6。

表6 引水口斷面設計年徑流月分配

4 結語

設計徑流量分析計算對棋盤河灌區續建配套與現代化改造工程設計具有十分重要的意義。 水文比擬法是反映流域單位面積產水能力的指標， 它與流域的降水、氣溫和下墊面因素密切相關。棋盤河是無水文站的小河流， 和鄰近河流徑流的氣候及下墊面因素相近。改造工程引水口斷面徑流計算，以卡群水文站和江卡水文站為參證站， 采用參證站長期實測徑流資料為基礎進行分析計算。 參證站實測徑流資料系列較長，代表性相對較好，利用水文比擬法推算的改造工程引水口斷面年徑流量計算成果較為合理。 計算結果表明：采用水文比擬法計算結果，對棋盤河灌區改造工程較為適用， 可以較好地滿足現狀工程設計需求。