博爾斯臺河木夫露水庫水文計算與分析

程建云

(第九師聯(lián)拓勘測設(shè)計研究有限公司，新疆 塔城 834600)

1 項(xiàng)目概況

博爾斯臺河位于塔額盆地，為高山峽谷型河流，發(fā)源于塔爾巴哈臺山，最終匯入克爾柯夏溝，河流全長約9 km，其中，峽谷段約8 km，山口以下約1 km，發(fā)源地海拔高程2300 m，河道平均比降為3.15%，有5條支流匯入，呈扇形分布。隨著海拔高程的降低，流域降雨量逐漸減少。峽谷段平均海拔約1550 m，2000 m以上高山區(qū)年降雨量在500 mm以上，濕度大、氣溫低；海拔900～1100 m為山前傾斜平原，植被分布呈半荒漠草原類型。

木夫露水庫位于博爾斯臺河出山口以上約0.9 km處，庫區(qū)高程1035～1043 m，壩址以上集水面積21.1 km2，是一座以灌溉和供水為主、兼顧防洪的小(1)型水庫，壩型為均質(zhì)土壩。水庫總庫容180萬m3，設(shè)計洪水位1071.11 m[1]。

2 水文基本資料

博爾斯臺河無水文觀測站，在出山口引水渠首處設(shè)有水管站，僅有流量觀測數(shù)據(jù)；各參證站實(shí)情況如表1所示，其中博爾斯臺河引水渠水管站觀測流量，卡瑯古爾水文站、哈拉依敏水文站及烏什水水文站觀測項(xiàng)目有：水位、流量、懸移質(zhì)輸沙率、水溫、降水、水面蒸發(fā)、氣溫、水質(zhì)監(jiān)測。

表1 各參證站情況

木夫露水庫位于博爾斯臺渠首上游約400 m處，其間無支流匯入或引蓄水工程，故直接采用博爾斯臺渠首斷面的實(shí)測徑流資料作為壩址處徑流計算依據(jù)。因1958—1963年屬豐水年，以卡瑯古爾站為參證站，對博爾斯臺河徑流資料插補(bǔ)延長至1958年。

3 徑 流

博爾斯臺河河源區(qū)無永久性積雪或冰川，周期性季節(jié)融雪和降水是徑流的主要組成，徑流量具有季節(jié)性、與降水呈密切正相關(guān)的雙重特點(diǎn)。博爾斯臺河徑流年際變化較大，徑流年內(nèi)分配不均。壩址處設(shè)計年徑流量采用實(shí)測值修正法、徑流深等值線法和徑流模數(shù)法三種方法進(jìn)行對比分析[2]。

3.1 實(shí)測值修正法

博爾斯臺水管站測流斷面位于引水干渠，內(nèi)部襯砌，采用水位流量關(guān)系推算河道來水。在平、枯水期河道流量較小，干渠斷面穩(wěn)定，測驗(yàn)數(shù)據(jù)精度較高；洪水期流量較大，受引水渠首規(guī)模限制，棄水無法測量，且此工況下干渠斷面沖淤變化頻繁，測驗(yàn)精度有限，因此，需進(jìn)行還原計算。

3.1.1 參證站選取

卡瑯古爾河與博爾斯臺河同發(fā)源于塔爾巴哈臺山南坡，河流走向基本一致，水氣條件基本一致，流域下墊面條件類似，且卡瑯古爾站位于河流出山口處，因此，選為徑流修正參證站。

3.1.2 徑流修正

根據(jù)卡瑯古爾水文站連續(xù)實(shí)測徑流系列的年內(nèi)平均分配情況對博爾斯臺河洪水期徑流進(jìn)行修正，采用水文比擬法，公式(1)如下。

Q1=(F1/F2)n×Q2

(1)

式中：Q1、Q2為博爾斯臺河、卡瑯古爾河平枯水期徑流，萬m3；F1、F2為博爾斯臺河、卡瑯古爾河集水面積，km2；n為面積修正系數(shù)。

博爾斯臺水管站平枯水期流量測驗(yàn)精度較高，滿足水文觀測規(guī)范要求，利用平枯水期徑流資料計算n=1.19。參照卡瑯古爾水文站實(shí)測多年徑流資料進(jìn)行博爾斯臺河洪水期還原計算，得到博爾斯臺水管站處多年平均徑流量為411萬m3，月徑流成果詳見表2。

3.2 徑流深等值線法

根據(jù)《新疆地表水資源研究》平均徑流深等值線圖，博爾斯臺河所在流域年平均徑流深約為200 mm，木夫露水庫壩址斷面以上集水面積21.1 km2,壩址斷面處多年平均徑流按式(2)計算[3]。

W=P×F×0.1

(2)

式中：W為徑流量，萬m3；F為壩址斷面以上集水面積，km2；P為流域年平均徑流深，mm。計算得水庫壩址斷面處多年平均徑流量為422萬m3。

表2 博爾斯臺河月徑流成果

3.3 徑流模數(shù)法

按照流域相似原則，卡瑯古爾河與博爾斯臺河同發(fā)源于塔爾巴哈臺山北坡，以卡瑯古爾站為參證站，采用徑流模數(shù)法，壩址斷面處多年平均徑流按式(3)計算[3]。

Q=M×F

(3)

式中：Q為流量，m3/s；M為徑流模數(shù)，m3/s·km2；F為集水面積，km2。參證站卡瑯古爾站多年平均流量為3.8 m3/s，集水面積 349 km2，計算得其徑流模數(shù)為10.89 L/(s·km2),將其徑流模數(shù)移置到木夫露水庫壩址斷面，計算得木夫露水庫壩址斷面多年平均流量為0.23 m3/s，多年平均徑流量為724.6萬m3。

3.4 成果比選

徑流深等值線法根據(jù)新疆1956—2000年平均徑流深等值線圖量算，是新疆地區(qū)分析計算無資料地區(qū)河川徑流及地表水資源量的基礎(chǔ)方法，具有相當(dāng)?shù)貐⒖純r值。實(shí)測值修正法是針對大流量測驗(yàn)數(shù)據(jù)失真問題，依據(jù)臨近相似流域徑流年內(nèi)分配的相似性，以兩站連續(xù)實(shí)測徑流資料為基礎(chǔ)，以平枯水期實(shí)測資料反推得面積修正系數(shù)，再根據(jù)卡瑯古爾河洪水期資料對博爾斯臺河資料進(jìn)行修正計算，成果符合該區(qū)域河流基本特征，且與徑流深等值線法成果基本一致，可認(rèn)定可靠。

3.5 設(shè)計徑流及年內(nèi)分配

將博爾斯臺水管站修正后的年徑流系列資料進(jìn)行頻率曲線分析，理論頻率曲線采用P-Ⅲ型曲線，以矩法估算年徑流系列統(tǒng)計參數(shù)，經(jīng)P-Ⅲ型曲線適線確定，木夫露水壩庫址處頻率計算結(jié)果如表3所示。

表3 木夫露水庫壩址處年徑流頻率計算結(jié)果

木夫露水庫主要任務(wù)是灌溉和飲用供水，設(shè)計代表年的年內(nèi)分配根據(jù)年徑流頻率計算的結(jié)果，按豐、平、枯水年和偏枯水年選擇典型年進(jìn)行縮放。所選典型年主要考慮：①典型年年徑流量應(yīng)接近設(shè)計保證率的年徑流量。②選擇年內(nèi)分配不均，對農(nóng)業(yè)灌溉引、需水不利的年份。③選取若干個滿足以上兩個條件的實(shí)測年份，分析比較其月內(nèi)分配，從中選擇資料齊全、年內(nèi)分配不均的年份為典型年。設(shè)計代表年的年內(nèi)分配按所選典型年的年內(nèi)分配同倍比縮放，得到木夫露水庫壩址設(shè)計年徑流及年內(nèi)分配成果如表4所示。

表4 木夫露水庫壩址設(shè)計年徑流及年內(nèi)分配情況 萬m3

4 洪 水

水庫壩址設(shè)計洪峰流量采用推理公式法、水文比擬法和洪峰模數(shù)法進(jìn)行對比分析[4]，計算式如表5所示。

4.1 推理公式法

博爾斯臺河流域設(shè)有167團(tuán)氣象站，其年最大一日降雨量系列基本無突變現(xiàn)象，整體上其模比系數(shù)單累計曲線呈直線，具有較好的一致性；降雨量系列中包含了大、中、小數(shù)據(jù)，變化周期明顯，系列長度達(dá)到28 a以上時，模比系數(shù)累計平均值過程線穩(wěn)定趨近于1，具有較好的代表性。博爾斯臺河集水面積較小，屬小流域洪水，采用式(4)～式(5)計算。

Qn p=0.278φSpF/τn

(4)

(5)

式中：Qm p為設(shè)計洪峰流量，m3/s；φ為洪峰徑流系數(shù)；Sp為設(shè)計雨力；τ為匯流時間，n為暴雨衰減系數(shù)；L為河流長度，km；m為匯流系數(shù)；J為河道平均比降。

4.2 水文比擬法

采用相鄰流域水文分區(qū)內(nèi)有較長洪峰流量系列的卡瑯古爾站為參證站，對其進(jìn)行系列代表性分析。

1993.5.25卡瑯古爾河發(fā)生雨雪混合型洪水，卡瑯古爾站洪峰流量達(dá)到建站以來最大值127 m3/s，洪水洪量達(dá)2921萬m3。經(jīng)調(diào)查，認(rèn)定其為該河歷史上最大洪水，其歷史重現(xiàn)期為60 a。

水文比擬法采用徑流修正相同公式計算，參照臨近流域已有成果計算得洪峰折算系數(shù)為0.106，計算得到木夫露水庫壩址設(shè)計洪峰流量。

4.3 洪峰模數(shù)法

選用卡瑯古爾站為參證站，采用洪峰模數(shù)法計算水庫壩址處設(shè)計洪峰流量，計算公式與模數(shù)法計算徑流一致。

4.4 成果比選

水文比擬法是無資料地區(qū)常用的移植水文相似區(qū)實(shí)測資料特性計算設(shè)計洪水的方法，博爾斯臺河與參證站洪水要素高度相似，能較好地移植代表本河流洪水特性，且計算結(jié)果與推理公式法比較接近,其成果可靠。

4.5 設(shè)計洪量

該地區(qū)洪水歷時一般在3～7 d，因此，分析最大1 d、3 d、7 d設(shè)計洪量。以卡瑯古爾站實(shí)測歷年最大1 d、3 d、7 d各時段洪量，采用數(shù)理統(tǒng)計法以P-Ⅲ型曲線進(jìn)行適線，采用洪量模數(shù)法計算壩址處設(shè)計洪量，其成果如表6所示。

表5 設(shè)計洪峰流量計算成果

表6 木夫露水庫壩址設(shè)計洪量成果

4.6 水位流量關(guān)系

根據(jù)河床組成、河道變化情況和兩岸植被情況，確定糙率n=0.035,采用穩(wěn)定均勻流公式計算水庫壩址水位-流量關(guān)系曲線，其成果如圖1所示。

圖1 木夫露水庫壩址水位-流量關(guān)系曲線

5 結(jié) 語

為滿足灌溉和飲水供水需求，在博爾斯臺河上擬修建木夫露水庫。根據(jù)特點(diǎn)，通過選取卡瑯古爾水文站、哈拉依敏水文站、烏什水水文站為參證站，對博爾斯臺河水管站實(shí)測資料進(jìn)行修正和插補(bǔ)延長，采用不同方法對壩址處設(shè)計徑流和洪水進(jìn)行計算、比選論述和分析，最終得到了博爾斯臺河水文計算與分析成果。通過木夫露水庫建設(shè)與運(yùn)行情況來看，該分析和計算成果是合理的。