卡因其河水文計(jì)算與分析

劉云鵬

(新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830000)

0 引 言

卡因其水庫(kù)是一座小（1）型Ⅳ等水庫(kù)，工程任務(wù)以防洪、人飲供水和農(nóng)業(yè)灌溉為主，水庫(kù)建成后，下游河道防洪能力明顯提高，年供水量8.09萬(wàn)m3，改善卡因其灌區(qū)0.08萬(wàn)hm2耕地的灌溉條件。為做好水庫(kù)建設(shè)規(guī)劃工作，對(duì)卡因其河開展水文水利計(jì)算。

1 流域概況

卡因其河位于兵團(tuán)第九師一六八團(tuán)，發(fā)源于塔爾巴哈臺(tái)山東段，出山口后流程大約11km后匯入沙拉依敏河。卡因其河水系屬扇形水系，上游有4條支流，在距離出山口上游3.9km處匯入卡因其河干流，擬建水庫(kù)壩址河長(zhǎng)10km，平均高程約1 345m，出山口以上平均縱坡6.3%。流域內(nèi)無(wú)永久性積雪和冰川發(fā)育，徑流補(bǔ)給源主要是季節(jié)性融雪水、降雨和地下水。

項(xiàng)目區(qū)各項(xiàng)多年平均氣象要素值如下：氣溫5.91℃、降水量334.8mm、≥10mm降雨量日數(shù)6.6d、蒸發(fā)量1 702mm、風(fēng)速2.6m/s、日照時(shí)數(shù)2 615.9h、無(wú)霜期125.5d、積雪厚度43.1cm，歷史極端凍深1.45m。

2 水文基本資料

卡因其河未設(shè)立正規(guī)的水文觀測(cè)站，只有一六八團(tuán)在引水渠首處設(shè)有水管站，僅進(jìn)行流量觀測(cè)。卡因其水庫(kù)位于渠首上游約300m處，期間無(wú)支流匯入或引、蓄水工程，可以將其徑流分析資料作為壩址處徑流計(jì)算依據(jù)。但其缺測(cè)豐水年1958—1963年資料，且洪水期采用一點(diǎn)法每日兩次觀測(cè)，測(cè)驗(yàn)精度和頻次較低，需要插補(bǔ)延長(zhǎng)和還原計(jì)算。

同區(qū)域塔額盆地各河流中有較長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)資料的水文站3處，分別是卡瑯古爾河卡瑯古爾站，沙拉依滅勒河烏什水站和哈拉依滅勒河哈拉依敏站，均為國(guó)家基本站，資料精度和系列長(zhǎng)度可靠。卡瑯古爾河與卡因其河同發(fā)源于塔爾巴哈臺(tái)山南麓，兩條河流域高程，水氣條件及河流下墊面、流域植被等情況相似，故以卡瑯古爾河卡瑯古爾站實(shí)測(cè)資料為參證，將卡因其河徑流系列插補(bǔ)延長(zhǎng)[1]。

根據(jù)卡因其河現(xiàn)有完整年資料與卡瑯古爾水文站同期資料建立相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.95，依此建立回歸方程，推算出卡因其河1958—1963年各年年平均流量，并根據(jù)各月流量在年內(nèi)的分配比例，推算出缺測(cè)月份資料。插補(bǔ)延長(zhǎng)后，卡因其河具有1958—2012年共55a徑流量系列資料。

3 徑 流

卡因其河徑流變化與降水密切相關(guān)，年際變化較大、年內(nèi)分配不均，Cv=0.34、最大兩月（5、6）徑流量占全年的57.2%。徑流主要構(gòu)成為高山-山丘區(qū)季節(jié)性積雪融化，次要構(gòu)成為夏季降水。考慮卡因其河流域規(guī)模，因此以擬建壩址處為單一控制斷面，采用3種計(jì)算方法對(duì)比分析，確定年徑流量。

3.1 實(shí)測(cè)值修正法

由于卡因其水管站觀測(cè)數(shù)據(jù)僅為渠首引水流量，平枯水期流量較小，觀測(cè)精度較高，誤差較小；洪水期受引水渠首規(guī)模的限制，遇到較大洪峰時(shí)未引棄水并未測(cè)量，因此觀測(cè)流量不能完全反應(yīng)河道來(lái)水[2]。

通過(guò)卡因其水管站多年連續(xù)實(shí)測(cè)水量資料與塔額盆地北山坡卡瑯古爾站多年平均逐月徑流量分配相比較，可以得出卡因其水管站實(shí)測(cè)5~6月徑流量占全年徑流量比例與參證站相比誤差較大、結(jié)果較小，考慮到兩月徑流量占全年超過(guò)50%，因此僅對(duì)5~6月洪水期徑流進(jìn)行修正。

由于卡因其水管站平枯水期流量測(cè)驗(yàn)精度較高，因此采用其平枯水期徑流與卡瑯古爾站平枯水期實(shí)測(cè)徑流資料計(jì)算得出水文比擬法中的面積修正系數(shù)；根據(jù)面積修正系數(shù)計(jì)算結(jié)果，計(jì)算公式，采用卡瑯古爾水文站實(shí)測(cè)多年徑流資料，采用水文比擬法進(jìn)行卡因其河洪水期5、6月平均徑流量還原計(jì)算。可知水文比擬法中的面積修正系數(shù)為1.22，以卡瑯古爾站為參證站推算的卡因其水管站處多年平均徑流量為619萬(wàn)m3，計(jì)算公式如下，修正后的卡因其河多年平均徑流及年內(nèi)分配過(guò)程見(jiàn)表1。

表1 卡因其河多年平均徑流及年內(nèi)分配過(guò)程表

式中，Q1、Q2分別為卡因其河、卡瑯古爾河平枯水期徑流，萬(wàn)m3；F1、F2分別為卡因其水庫(kù)壩址以上、卡瑯古爾站集水面積，km2；n為面積修正系數(shù)。

3.2 徑流深等值線法

徑流深等值線法計(jì)算多年平均徑流量按下式，各參數(shù)根據(jù)《新疆1956—2000年平均徑流深等值線圖》查算，可知水庫(kù)壩址斷面處多年平均徑流量為640萬(wàn)m3。

式中，W為徑流量，萬(wàn)m3；F為擬建水庫(kù)壩址斷面以上集水面積，km2，此處為32 km2；P為流域年平均徑流深，mm，此處為200mm。

3.3 徑流模數(shù)法

卡瑯古爾河與目標(biāo)河流均發(fā)源于塔爾巴哈臺(tái)山北坡，選定卡瑯古爾站為參證站，徑流模數(shù)法計(jì)算多年平均徑流量按下式，各參數(shù)移置到設(shè)計(jì)斷面后計(jì)算，可知水庫(kù)壩址斷面處多年平均徑流量為1 099萬(wàn)m3。

式中，Q為流量，m3/s，卡瑯古爾站為3.8m3/s；M為徑流模數(shù)，L/（s·km2），卡瑯古爾站為10.89 L/（s·km2）；F為集水面積，km2，卡瑯古爾站為349km2。

3.4 成果比選

卡因其水庫(kù)壩址處設(shè)計(jì)年徑流量計(jì)算采用上述三種方法對(duì)比分析。以卡瑯古爾站為參證站采用徑流模數(shù)法計(jì)算結(jié)果最大；徑流深等值線法計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值經(jīng)修正計(jì)算后計(jì)算結(jié)果十分接近；以烏什水文站為參證站采用徑流模數(shù)法計(jì)算結(jié)果最小。

徑流深等值線圖查算是項(xiàng)目區(qū)當(dāng)?shù)責(zé)o資料河流水文計(jì)算與分析的常用方法，計(jì)算結(jié)果偏可靠，但卡因其河出山口以上流域面積僅32km2，流域面積過(guò)小，因此平均徑流深估計(jì)誤差可能較大，該方法計(jì)算結(jié)果具有較強(qiáng)參考性。

以徑流模數(shù)法計(jì)算的結(jié)果相差很大，這與新疆河川徑流及地表水資源區(qū)域分布特點(diǎn)有關(guān)，由于遠(yuǎn)離水汽源和界限分明的山區(qū)—平原二元地貌結(jié)構(gòu)，在徑流的形成運(yùn)移過(guò)程中平原區(qū)和山區(qū)特點(diǎn)截然不同；且新疆降水和河川徑流的形成主要依賴西、西北方路徑水汽輸入，加之阿爾泰山等高大山體阻隔作用，西部、北部水汽條件明顯優(yōu)于東部、南部地區(qū)。此外，山區(qū)河流集水區(qū)及河道坡度陡峻，區(qū)域產(chǎn)匯流能力強(qiáng)；平原區(qū)地表透水性強(qiáng)，河道展寬，坡度平緩，河流水量蒸發(fā)、滲漏強(qiáng)烈，因此河流出山口為徑流形成區(qū)與徑流散失的分界點(diǎn)。

卡瑯古爾河卡瑯古爾水文站斷面以上流域平均高程1 957m，地處塔爾巴哈臺(tái)山降水豐富的西部山區(qū)，水文站斷面布設(shè)在河流的出山口處，基本控制整個(gè)流域的產(chǎn)流；相比之下，卡因其河水管站測(cè)流斷面以上流域平均高程較低，且地理位置位于降水量較低的塔爾巴哈臺(tái)山中東部，水汽條件偏差，產(chǎn)流能力應(yīng)小于卡瑯古爾河流域，移用卡瑯古爾河上卡瑯古爾站的徑流模數(shù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果應(yīng)當(dāng)偏大。相似地，沙拉依滅勒河烏什水文站地處卡因其河流域以東，水汽條件更差，且烏什水文站位于沙拉依滅勒河出山口下游約15km處，出山口以下區(qū)域河流蒸發(fā)、滲漏強(qiáng)烈，徑流逐漸散失；卡因其水管站測(cè)流斷面位于卡因其河出山口處，控制整個(gè)山區(qū)徑流，因此移用烏什水文站徑流模數(shù)計(jì)算結(jié)果應(yīng)當(dāng)偏小。

綜上，實(shí)測(cè)值修正法得到的卡因其河多年平均年徑流計(jì)算成果符合該區(qū)域河流的基本特征，成果可靠。

3.5 徑流計(jì)算成果

考慮水庫(kù)防洪和灌溉的主要任務(wù)，按照年徑流量接近、對(duì)防洪和灌溉不利、年內(nèi)分配不均的原則按豐、平、枯和偏枯選取典型年，根據(jù)卡因其水管站修正后的55年徑流系列資料，得到壩址處各設(shè)計(jì)頻率下的典型年、設(shè)計(jì)年徑流量計(jì)算成果如表2所示。

4 洪 水

卡因其河流域洪水多發(fā)生在4~6月間，少數(shù)發(fā)生在7~9月，并存三種類型洪水，即融雪型洪水、暴雨型洪水、降雨融雪混合型洪水。融雪型洪水多發(fā)生于4~5月，為高空持續(xù)增溫積雪帶融化形成洪水，其洪水過(guò)程日變化明顯，洪峰量值一般不大，歷時(shí)較長(zhǎng)。暴雨型洪水多發(fā)生于7~9月，有持續(xù)性降水導(dǎo)致流域蓄滿產(chǎn)流或突降暴雨雨強(qiáng)較大發(fā)生超滲產(chǎn)流形成，由于暴雨中心不固定，洪水隨機(jī)性強(qiáng)，預(yù)警時(shí)間短，陡漲陡落，洪水過(guò)程線呈高、尖特征。混合型洪水多發(fā)生于降水集中的5~6月，疊加融雪，此類洪水洪峰不及暴雨型洪水高，但歷時(shí)長(zhǎng)，洪量大，洪水災(zāi)害危害極大。壩址斷面設(shè)計(jì)洪水采用三種方法對(duì)比分析。

4.1 水文比擬法

與徑流計(jì)算相似，以卡瑯古爾站為參證站。1993年5·25洪水發(fā)生于塔爾巴哈臺(tái)山南坡，是一次典型的降雨融雪渾河型洪水，實(shí)測(cè)洪峰流量127m3/s為建站以來(lái)極值，洪量約3 068萬(wàn)m3，重現(xiàn)期為T=2012-1957+1=56a。根據(jù)1957—2012年卡瑯古爾水文站56a實(shí)測(cè)連續(xù)洪水資料，繪制卡瑯古爾站逐年洪峰流量過(guò)程線、洪峰流量模比系數(shù)差積曲線和洪峰流量模比系數(shù)累積平均過(guò)程線，洪水系列具有較好代表性。以矩法估算洪峰流量系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)，采用P-Ⅲ型曲線適線時(shí)，得到不同保證率的設(shè)計(jì)洪水成果。計(jì)算公式如下，成果如表3所示。

表3 卡因其水庫(kù)壩址處設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果表

式中，Q1為設(shè)計(jì)斷面洪峰流量、Q2為參證站洪峰流量，m3/s；F1為設(shè)計(jì)斷面集水面積、F2為參證站斷面集水面積，km2；n為面積比擬系數(shù)。

4.2 推理公式法

工程區(qū)暴雨主要由西南、偏西方向的水汽受地形抬升形成。卡因其水庫(kù)壩址西7km處有一六七團(tuán)氣象站，根據(jù)其1964—2012年最大一日降雨資料分析，該區(qū)域年內(nèi)較大降雨主要發(fā)生在5~7月，發(fā)生概率在60%以上。采用小流域洪水計(jì)算公式計(jì)算設(shè)計(jì)洪水成果，公式如下。

式中，Qmp為設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；?為洪峰徑流系數(shù)；τ為匯流時(shí)間，h；n為暴雨衰減系數(shù)；F為流域集水面積，km2；Sp為設(shè)計(jì)雨力，mm/h；m為匯流系數(shù)；L為河流長(zhǎng)度，km；J為河道平均比降。

4.3 洪峰模數(shù)法

參證站選取同上，洪峰模數(shù)法計(jì)算公式如下。

式中，Q為洪峰流量，m3/s ；M為洪峰模數(shù)，m3/（s·km2）；F為集水面積，km2。

4.4 合理性分析及成果比選

壩址斷面設(shè)計(jì)洪水成果分別采用三種方法計(jì)算。卡因其河出山口以上流域面積僅32km2，流域面積過(guò)小，與徑流計(jì)算成果類似，采用推理公式法進(jìn)行無(wú)資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果往往偏大，且計(jì)算所需參數(shù)過(guò)多，人為誤差較大，洪水過(guò)程難以推求。卡因其河與卡瑯古爾河同發(fā)源于塔爾巴哈臺(tái)山南坡，流域下墊面情況、洪水發(fā)生時(shí)間及過(guò)程等要素相似程度較高，但兩河流域面積相差較大，平均海拔高程相差較大，兩河上游水期條件和流域比降差異較大，因此移用卡瑯古爾河洪峰模數(shù)誤差較大。水文比擬法是項(xiàng)目區(qū)當(dāng)?shù)責(zé)o資料河流設(shè)計(jì)洪水常用計(jì)算方法，充分利用臨近流域?qū)崪y(cè)長(zhǎng)系列水文資料為參證，根據(jù)附近流域已有成果對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行修正，能較好的代表本區(qū)域水文特性，計(jì)算結(jié)果具有較強(qiáng)的可靠性。綜上采用水文比擬法成果。

4.5 設(shè)計(jì)洪量

項(xiàng)目區(qū)洪水洪量按最大1d、3d、7d分析。根據(jù)流域氣候特征、洪水成因以及下墊面條件自然特征分析，卡瑯古爾河與卡因其河在同期水量上具有較好同步性，可作為推算卡因其河設(shè)計(jì)洪量的參證流域。

根據(jù)參證站卡瑯古爾水文站洪水實(shí)測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)歷年最大1d、3d、7d各時(shí)段洪量，方法同設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算類似，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法以P-Ⅲ型曲線適線，然后采用洪量模數(shù)法將參證流域卡瑯古爾河卡瑯古爾水文站設(shè)計(jì)洪量模數(shù)移至卡因其水庫(kù)壩址處，得到卡因其水庫(kù)壩址處不同頻率設(shè)計(jì)洪量成果如表4所示。

表4 卡因其水庫(kù)壩址處設(shè)計(jì)洪量成果表

4.6 設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線

由于卡因其水庫(kù)壩址無(wú)實(shí)測(cè)洪水過(guò)程線，根據(jù)峰高量大、對(duì)工程運(yùn)行不利的原則，采用臨近流域卡瑯古爾河卡瑯古爾水文站實(shí)測(cè)1993年大洪水過(guò)程為典型洪水，該洪水過(guò)程呈單峰，陡漲陡落。參照此次洪水過(guò)程，采用同頻率放大法，根據(jù)洪水期特征參數(shù)計(jì)算各重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)值，洪峰與不同時(shí)段洪量系列采用不同縮放倍比，模擬出設(shè)計(jì)流域設(shè)計(jì)洪水過(guò)程。

5 結(jié) 語(yǔ)

為規(guī)劃建設(shè)卡因其水庫(kù)，文章以其擬建壩址斷面設(shè)計(jì)徑流與洪水為研究對(duì)象，提出了適合項(xiàng)目區(qū)當(dāng)?shù)氐臒o(wú)資料河流水文計(jì)算與分析的比選方法，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的論述，得到了設(shè)計(jì)徑流與其年內(nèi)分配、設(shè)計(jì)洪水洪量及洪水過(guò)程線等一系列計(jì)算成果，對(duì)卡因其水庫(kù)的規(guī)模論證和設(shè)計(jì)方案提供了數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)也希望能夠?qū)?xiàng)目區(qū)或其相似區(qū)域的其他工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。