基于多河流交匯的吐魯番旅游項(xiàng)目設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

程 鵬

(吐魯番水文勘測局,新疆 吐魯番 838000)

吐魯番市旅游項(xiàng)目觀光停車基地西側(cè)至東側(cè)上游分布有4條洪溝介于塔爾朗河與煤窯溝河之間,為了確保基地安全,需對(duì)其設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行分析。

1 概 況

吐魯番市旅游項(xiàng)目觀光停車基地上游分布有桃兒溝、喀爾于孜薩依溝、達(dá)板能薩依及區(qū)間洪溝(區(qū)間1),其面積分別為85.3km2、52.9km2、20.1km2和68.0km2,溝長分別為16.5km、12.3km、9.0km和18.6km,4條洪溝的總面積為226km2。洪水在下游匯集后進(jìn)入項(xiàng)目區(qū)。其洪溝流域水系分布詳見圖1。

圖1 項(xiàng)目區(qū)上游洪溝、洪水調(diào)查斷面分布圖

2 洪水衰減與計(jì)算思路

2.1 沿程變率分析

4條洪溝洪水主要形成于上游中、高山區(qū),出山口以上是洪水逐漸增大過程,屬于洪水疊加區(qū),出山口以下洪水均為遞減過程[1]。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)上下游洪水成因和沿程變化,按最不利因素考慮,從4條洪溝出山口到項(xiàng)目區(qū)之間共布設(shè)了7個(gè)斷面和3個(gè)暴雨區(qū)間,見圖1。①桃兒溝出山口洪水A斷面;②桃兒溝出山口洪水到B斷面區(qū)間,命名為區(qū)間2,洪水流入到B斷面及項(xiàng)目區(qū)(AA斷面);③喀爾于孜薩依溝、達(dá)板能薩依及區(qū)間洪溝命名為區(qū)間1;④喀爾于孜薩依溝、達(dá)板能薩依及區(qū)間1洪溝洪水匯合到C斷面;⑤C斷面到葡萄溝區(qū)間,命名為區(qū)間3,洪水流入到D、E斷面及項(xiàng)目區(qū)(AB斷面);⑥葡萄溝至溝口區(qū)間,命名為葡萄溝,洪水流入到E斷面及項(xiàng)目區(qū)(AB斷面)。

2.2 洪水計(jì)算思路

根據(jù)旅游停車基地東西兩側(cè)的洪水沿程衰變實(shí)際情況,本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算思路為:

1)項(xiàng)目區(qū)西側(cè)AA斷面洪水計(jì)算:計(jì)算出桃兒溝B斷面的設(shè)計(jì)洪水;計(jì)算出B斷面設(shè)計(jì)洪水衰減到AA斷面的設(shè)計(jì)洪水;

2)項(xiàng)目區(qū)東側(cè)AB斷面洪水計(jì)算:計(jì)算出C斷面衰減到E斷面的設(shè)計(jì)洪水;計(jì)算出區(qū)間3洪水衰減到E斷面的設(shè)計(jì)洪水;計(jì)算出葡萄溝區(qū)間的設(shè)計(jì)洪水;計(jì)算出E斷面的設(shè)計(jì)洪水;計(jì)算出E斷面設(shè)計(jì)洪水衰減到AB斷面的設(shè)計(jì)洪水。

3 參證站站洪水計(jì)算

煤窯溝河與三條洪溝相鄰,同處于天山南坡,出山口平行相距5～6km,下墊面要素相似,同受大尺度天氣影響,出山口以上徑流形成條件大致相同。因此選煤窯溝水文站作為為參證站。煤窯溝站連續(xù)洪峰流量系列有46a(1976—2021年),其中把1969年洪峰流量作為特大值處理,用不連序47a系列(重現(xiàn)期為67a),進(jìn)行設(shè)計(jì)洪峰的分析計(jì)算。煤窯溝水文站設(shè)計(jì)洪峰流量成果(1976—2021年)見表1。其中Cv為1.2,Cs/Cv為3,均值為93.8m3/s。

表1 3條洪溝設(shè)計(jì)洪峰流量成果對(duì)比表

4 項(xiàng)目區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

4.1 東側(cè)上游洪溝洪水計(jì)算

項(xiàng)目區(qū)東側(cè)上游的喀爾于孜薩依溝、達(dá)板能薩依、區(qū)間1洪溝,屬無水文資料區(qū),本次采用洪峰模數(shù)法、推理公式法及地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率線法分別計(jì)算3條洪溝設(shè)計(jì)洪水。計(jì)算結(jié)果見表1。

由于煤窯溝與3條洪溝集水面積相差較大,所以洪峰模數(shù)法計(jì)算成果僅供參考。推理公式法雖然是在天山南坡地區(qū)中小流域較長系列的實(shí)測洪峰流量基礎(chǔ)上經(jīng)過分析、綜合而成的,但計(jì)算中的暴雨衰減、土壤損失等選用參數(shù),主要參考教材中提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù),造成計(jì)算結(jié)果較綜合頻率曲線法小。基于設(shè)計(jì)安全,本次推薦采用綜合頻率曲線法的計(jì)算成果。

4.2 西側(cè)上游桃兒溝洪水計(jì)算

根據(jù)高昌區(qū)水利局評(píng)審?fù)ㄟ^的《新疆吐魯番市高昌區(qū)桃兒溝河上游段防洪工程暴雨洪水分析計(jì)算》報(bào)告的設(shè)計(jì)洪水成果,作為桃兒溝下游(即本次設(shè)計(jì)B斷面)的設(shè)計(jì)成果,見表3。

4.3 洪水衰減率

4.3.1 東側(cè)上游3條洪水衰減率計(jì)算

停車基地東側(cè)上游3條洪溝位于煤窯溝和塔爾朗流域區(qū)間的非控制區(qū)內(nèi),出山口以上總面積為141km2,吐魯番水文勘測局于2012年9月與10月分別對(duì)出山口與下游葡萄溝蘇巴什大橋進(jìn)行了洪水調(diào)查,作為洪水衰減段。洪峰流量沿程絕對(duì)衰減損失量計(jì)算公式如下:

Di=Qms-Qmx

(1)

式中:Di為洪峰流量沿程絕對(duì)衰減損失量,m3/s;Qms為上游調(diào)查斷面洪峰流量[2],207m3/s;Qmx為下游調(diào)查斷面洪峰流量,71m3/s。

洪峰流量沿程每公里相對(duì)衰減損失率計(jì)算公式如下:

Ki=(Qms-Qmx)/(Qms·LSx)

(2)

式中:Ki為洪峰流量沿程每公里相對(duì)衰減損失率;Qms為上游調(diào)查斷面洪峰流量,207m3/s;Qmx為下游調(diào)查斷面洪峰流量,60.2m3/s;LSx為上、下游調(diào)查斷面之間的距離,25km。

由公式(1)計(jì)算出各調(diào)查斷面沿程絕對(duì)衰減損失量為136m3/s,由公式(2)計(jì)算出沿程每公里相對(duì)衰減損失率為2.8%。

4.3.2 周邊河流洪水衰減率

由于項(xiàng)目區(qū)缺乏資料,一種方法計(jì)算洪水衰減過于簡單,且依據(jù)也不充分。本次采用2008年8月吐魯番水文局完成的《新疆吐魯番市煤窯溝水庫工程水文分析計(jì)算》報(bào)告中的衰減率1.8%成果和柯柯亞河2007年7月11日做的洪水衰減率實(shí)驗(yàn)成果資料2.3%,進(jìn)行不同量級(jí)洪水衰減率綜合分析。

4.3.3 衰減率確定

項(xiàng)目區(qū)停車基地上游3條洪溝洪水平均衰減率的最終確定值,取項(xiàng)目區(qū)車輛基地上游3條洪溝衰減率2.8%、煤窯溝衰減率1.8%和柯柯亞衰減率2.3%的平均值,衰減率為2.4%。

4.4 各區(qū)間暴雨洪水計(jì)算

由于區(qū)間3和葡萄溝無任何洪水資料,因此本次采用推理公式法計(jì)算區(qū)間暴雨,其采用參數(shù)見表2,計(jì)算成果見表4。

表2 各區(qū)間各暴雨洪水參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

4.5 停車基地設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

4.5.1 西側(cè)AA斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

AA斷面距離桃兒溝B斷面5.1km,根據(jù)區(qū)間洪水損失率2.8%,利用上游B斷面設(shè)計(jì)洪峰流量和公式(2)計(jì)算項(xiàng)目區(qū)停車基地的設(shè)計(jì)洪峰流量,計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 項(xiàng)目區(qū)停車基地AA斷面設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

4.5.2 東側(cè)AB斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

1) 項(xiàng)目區(qū)河段洪水情勢分析。

經(jīng)調(diào)查:C區(qū)間下游末端有兩處滯洪池,一處在蘭新二線鐵路附近,儲(chǔ)水能力約為50萬m3,另一處在G30連霍高速附近,儲(chǔ)水能力約為70萬m3,考慮到淤積,本次計(jì)算兩個(gè)滯洪池儲(chǔ)水能力取值100萬m3。

根據(jù)煤窯溝流域第一人民渠設(shè)計(jì)資料:“第一人民渠36.376km,水源主要來自煤窯溝水庫。水庫至蘇巴什段長30.788km,設(shè)計(jì)流量12m3/s;景區(qū)段長4.388km,設(shè)計(jì)流量50m3/s;葡萄溝水庫入庫段長1.2km,設(shè)計(jì)流量38m3/s。”

綜上,本次項(xiàng)目區(qū)東側(cè)AB斷面設(shè)計(jì)洪水分兩種情況進(jìn)行分析計(jì)算:①按天然情況計(jì)算,既不考慮兩個(gè)滯洪池儲(chǔ)水影響,也不考慮葡萄溝水庫的引水能力,計(jì)算項(xiàng)目區(qū)東側(cè)AB斷面設(shè)計(jì)洪水;②上游3條洪溝及區(qū)間3的洪水經(jīng)過兩個(gè)滯洪池,經(jīng)調(diào)節(jié)后剩余洪水進(jìn)入下游葡萄溝,剩余洪水與葡萄溝區(qū)間洪水匯合后進(jìn)入項(xiàng)目區(qū)(考慮葡萄溝水庫引水情況)。

2) 天然條件下AB斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。

根據(jù)洪水衰減損失率計(jì)算成果,區(qū)間每公里洪水損失率為2.8%,利用上游各區(qū)間設(shè)計(jì)洪峰流量和公式(2)計(jì)算項(xiàng)目區(qū)停車基地的設(shè)計(jì)洪峰流量,計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 項(xiàng)目區(qū)AB斷面設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

C斷面設(shè)計(jì)洪水構(gòu)成為:喀爾于孜薩依溝的設(shè)計(jì)洪水+區(qū)間1的設(shè)計(jì)洪水+達(dá)板能薩依的設(shè)計(jì)洪水。

E斷面設(shè)計(jì)洪水構(gòu)成為:C斷面衰減到E斷面的設(shè)計(jì)洪水+區(qū)間3衰減到E斷面的設(shè)計(jì)洪水+葡萄溝區(qū)間的設(shè)計(jì)洪水。

項(xiàng)目區(qū)AB斷面設(shè)計(jì)洪水構(gòu)成為:E斷面衰減到AB斷面的設(shè)計(jì)洪水。

3) 工況下AB斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

工況下AB斷面洪水計(jì)算思路:C斷面設(shè)計(jì)洪水構(gòu)成為:喀爾于孜薩依溝的設(shè)計(jì)洪水+區(qū)間1的設(shè)計(jì)洪水+達(dá)板能薩依的設(shè)計(jì)洪水。

D斷面天然條件下洪水構(gòu)成:C斷面衰減到D斷面的設(shè)計(jì)洪水+區(qū)間3設(shè)計(jì)洪水。

D斷面工況條件下洪水構(gòu)成:D斷面設(shè)計(jì)洪水進(jìn)入兩處滯洪池,當(dāng)洪量超過100萬m3后,剩余洪水開始進(jìn)入葡萄溝。

E斷面設(shè)計(jì)洪水構(gòu)成為:D斷面工況下設(shè)計(jì)洪水+葡萄溝區(qū)間的設(shè)計(jì)洪水。

項(xiàng)目區(qū)AB斷面設(shè)計(jì)洪水構(gòu)成分為兩種情況:①不考慮葡萄溝水庫引水,項(xiàng)目區(qū)AB斷面設(shè)計(jì)洪水為E斷面衰減到AB斷面的設(shè)計(jì)洪水;②考慮葡萄溝水庫引水,項(xiàng)目區(qū)AB斷面設(shè)計(jì)洪水為:E斷面設(shè)計(jì)洪水一部分進(jìn)入葡萄溝水庫,剩余洪水再衰減到AB斷面的設(shè)計(jì)洪水。

通過以上兩種情況的分析計(jì)算,綜合考慮因水庫蓄水、水庫安全運(yùn)行等最不利因素,在特殊情況下洪水未進(jìn)入水庫,直接流入項(xiàng)目區(qū)停車基地(即第②種情況),成果見表5。

表5 項(xiàng)目區(qū)車輛基地AB設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

5 結(jié) 語

項(xiàng)目區(qū)停車基地位于桃兒溝下游與葡萄溝下游之間,本次計(jì)算主要有參證站煤窯溝水文站、項(xiàng)目區(qū)西側(cè)桃兒溝及東側(cè)上游3條洪溝設(shè)計(jì)洪水計(jì)算,桃兒溝設(shè)計(jì)洪水采用《新疆吐魯番市高昌區(qū)桃兒溝河上游段防洪工程暴雨洪水分析計(jì)算》報(bào)告計(jì)算成果,3條洪溝洪水采用洪峰流量地區(qū)綜合法計(jì)算結(jié)果,最后采用衰減法計(jì)算項(xiàng)目區(qū)停車基地洪水成果,經(jīng)過分析計(jì)算,停車基地AA段、AB段百年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量分別為54.5m3/s,74.4m3/s,為項(xiàng)目防洪保安建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。