莫托溝渠首設計洪水計算方法探析

烏仁娜

（新疆維吾爾自治區博爾塔拉水文勘測局，新疆 博爾塔拉 833400）

1 工程概況

莫托溝位于新疆溫泉縣哈日布呼鎮境內，發源于阿拉套山中段南麓，為博爾塔拉河支流[1]。莫托溝北岸匯入的較大支流自西向東依次為確龍特溝、二道橋溝、贊格烏蘇溝、艾力克吐直克溝等；南岸匯入的較大支流自西向東依次為桑得克賽溝、馬夏溝、巴音達拉溝、烏爾達克賽河及大河沿子河等。

莫托溝屬典型大陸性氣候，降水量年內分配不均，季、月變化懸殊，連續最大4 個月降水量集中在5—8 月，占年降水量的61.0%。莫托溝出山口以上區域（山區）為徑流形成區，受山體地形及水汽作用，降水相對豐沛；受外部流水侵蝕作用影響，山體切割較深，河谷深窄，多呈“V”形，階地發育明顯，主河道縱比降為64.8‰。莫托溝上游山區人類活動較少，地面植被良好；中、下游兩岸地勢比較平緩，植被覆蓋度低。莫托溝自北向南出山口以下逐漸散失于山前沖洪積扇平原區。

規劃建設的莫托溝渠首工程位于莫托溝出山口處，距哈日布呼鎮阿爾夏特村北約5 km，渠首斷面以上集水面積63.09 km2，河長23.31 km，年徑流量1 898 萬m3。為了解決莫托溝灌區工程性缺水的需要，需對莫托溝擬建渠首工程進行洪水分析計算。

2 水文基礎資料收集

2.1 水文資料選取

莫托溝流域無水文站，為滿足分析計算需要，選取了同流域相同地帶的溫泉水文站（博爾塔拉河）、阿合奇水文站（烏爾達克賽河）、沙爾托海水文站（大河沿子河）、精河山口水文站（精河）作為本次洪水分析的參證站，觀測項目包括水位、流量、懸移質輸沙率、降水量、蒸發量、水溫、氣溫、水質等[2]。所選參證站的水文資料均經過整編，符合國家行業技術規范的標準和要求，數據成果可靠，滿足計算要求。

2.2 野外調查

為準確分析莫托溝渠首斷面洪水，由博爾塔拉水文勘測局組織，對莫托溝流域歷史洪水進行了專項調查，開展了大斷面測量、洪痕辨認與確定，上、下斷面洪水水面比降測量和流量實測等工作。經調查，莫托溝歷史最大洪水發生在1974年7月，經對附近流域復核溫泉水文站和阿合奇水文站1974 年發生最大洪水的時間均為7 月。由此可見，莫托溝流域與相鄰流域發生洪水的時間一致，洪峰流量為76.5 m3/s，洪水重現期為44 a一遇。

3 洪水類型及成因

根據同流域同地帶參證站水文資料分析，莫托溝渠首洪水主要有3種類型：①冰雪融水型洪水，發生在春、夏季，由中高山冰雪融水形成，其發生時間早于其他類型洪水，且洪峰流量較小，持續時間長。此類洪水出現的時間早與晚、洪峰流量大與小，與氣溫回升速度的快慢、高溫天氣持續時間的長短等因素密切相關。②暴雨型洪水，常見于中、低山帶和前山山麓地帶，洪水發生時間和暴雨出現的時間相吻合，洪水的大小和強度取決于暴雨的量級和強度。③混合型洪水，為冰雪融水型洪水與暴雨型洪水疊加形成的洪水。由于混合型洪水組成不同，因而兼有前2種洪水的特征，不僅起漲流量較大，而且洪峰流量和洪水總量都遠遠超過上述2種單一型洪水。

以上3 種類型洪水大多發生在夏季的6—8 月。通過對阿合奇水文站夏洪頻次分析發現，烏爾達克賽河年最大洪水發生在7月的頻次最高達52.1%，其次是8月頻次為45.8%；年最大洪水發生最少的是6月，頻次僅為2.1%。這從另一個側面反映了烏爾達克賽河流域洪水與高溫、冰川和暴雨影響關系密切的特點。

4 設計洪水計算

本次研究采用洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法、推理公式法、調蓄經驗單位線法、面積指數法4種方法，推算莫托溝渠首設計洪水。

4.1 洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法

選取與莫托溝渠首同屬一個水文分區的烏爾達克賽河阿合奇水文站、大河沿子河沙爾托海水文站、精河山口水文站作為參證站，根據各站實測年最大洪峰流量及歷史調查洪水資料，采用洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法，推求莫托溝渠首不同頻率的洪峰流量，具體計算方法和步驟如下：①分別計算各站洪峰流量系列模比系數；②將各站洪峰流量系列模比系數點在同一張幾率格紙上，取各站同頻率模比系數外包線值配成頻率曲線，繪制地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線；③在曲線上查出調查洪水模比系數Kd；④將設計頻率模比系數Kp和調查洪峰流量Qd，代入洪峰流量計算公式，求出莫托溝渠首設計洪峰流量。設計洪峰流量計算公式為：

式中：Qp為設計洪峰流量（m3/s）；Kp為設計頻率模比系數；Kd為調查洪水模比系數；Qd為調查洪峰流量（m3/s）。

莫托溝渠首不同頻率設計洪峰流量計算結果，詳見表1。

表1 莫托溝渠首不同頻率設計洪峰流量計算結果

4.2 推理公式法

4.2.1 設計暴雨計算

根據溫泉水文站1960—2016 年連續57 a 實測最大1 d降雨量系列推求該區域設計暴雨。查《新疆短缺資料中小河流設計洪水計算應用方法》（2013年5月）“時段降雨量折算系數參考表”“點面降雨量折算系數參考表”[3]，日降雨量折算為24 h 降雨量，系數為1.13，博爾塔拉河點面降雨量折算系數為2.054。溫泉水文站不同頻率最大降雨量計算結果，詳見表2。

表2 溫泉水文站不同頻率最大降雨量計算結果 mm

4.2.2 設計洪水計算

（1）計算公式。水利部推薦的推理公式法基本公式為：

式中：Qmp為設計洪峰流量（m3/s）；Sp為設計雨力（mm/h）；τ 為匯流歷時（h）；n為暴雨指數；F為流域面積（km2）；L為河道長度（km）；m為匯流參數；J為河道平均比降；φ為洪峰徑流系數，分部分匯流和全面匯流2種情況，當產流歷時tc＜τ時為部分匯流，當tc≥τ時為全面匯流。

分別選取相應暴雨指數n1、n2進行試算，推求設計洪峰流量。

產流歷時tc由下式計算：

式中：tc為產流歷時（h）；μ為凈雨歷時內平均損失率（mm/h）；其余變量含義同上。

（2）參數選取與計算。流域特征參數F、L、J值在1∶50 000地形圖上量算得出。沿河道繪出各山洪溝分水嶺，確定流域面積為63.09 km2；沿主溝從出口斷面至分水嶺最長距離L為23.31 km；沿流程L的平均比降J為64.8‰。根據《新疆短缺資料中小河流設計洪水計算應用方法》（2013年5月）“暴雨遞減指數參考表”，結合流域實際情況，n1取0.73，n2取0.78。

某設計頻率雨力計算公式為：

式中：H24p為某設計頻率最大24 h面雨量（mm）；其余變量含義同上。

損失系數計算公式為：

式中：R為損失系數；r為損失指數，即不同下墊面條件不同土類平均損失的計算參數；其余變量含義同上。

r可根據《新疆短缺資料中小河流設計洪水計算應用方法》（2013 年5 月）“各類土壤損失參數R、r參考表”查得。經分析工程場址處土壤、植被及降雨情況，R、r分別取1.08、0.75。

無資料條件下匯流參數m值可根據《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL44-2006）“小流域下墊面條件分類表”查得，為0.552。莫托溝渠首不同頻率設計洪峰流量計算結果，詳見表3。

表3 莫托溝渠首不同頻率設計洪峰流量計算結果

4.3 調蓄經驗單位線法

調蓄經驗單位線法是無水文資料的中小流域設計洪水的常用方法之一，主要通過圖表查算、產流試算、匯流計算來完成計算。

4.3.1 產流計算

利用《新疆維吾爾自治區可能最大暴雨圖集》查得天山北坡地區逐時雨量分配過程，根據雨量分配過程假設產流歷時為tc，在《新疆維吾爾自治區中小流域設計暴雨洪水圖集》產流綜合圖上查出相應產流期平均損失率f，求得產流期雨量Ptc，驗證tc是否合適[4]。之后，計算產流期平均凈雨強度I凈。

4.3.2 匯流計算

根據集水面積F和凈雨強度I凈在《新疆維吾爾自治區中小流域設計暴雨洪水圖集》的匯流綜合圖上查得相關參數，采用下式求出調蓄經驗單位線公比：

式中：b為調蓄經驗單位線公比；Δt為匯流時段（h）；t0為初損歷時（h）。

將Δt時段的雨量換算成凈雨量，其計算公式為：

式中：Ii為凈雨量（mm）；F為區域面積（km2）；Ri為損失系數；其余變量含義同上。

Ii乘以無窮遞減等比級數值并依次疊加，可得出地面徑流過程，再合成基流即設計洪水過程線，其最大值即設計洪峰流量。設計洪水計算結果，詳見表4。

表4 莫托溝渠首不同頻率設計洪峰流量計算結果匯總m3/s

4.4 面積指數法

根據參證站溫泉水文站及阿合奇水文站的設計洪峰流量，采用面積指數法推算莫托溝渠首設計洪峰流量，其計算公式為：

式中：Q設和Q站為莫托溝渠首斷面和參證站斷面的設計洪峰流量（m3/s）；F設和F站為莫托溝渠首斷面和參證站斷面集水面積（km2）。

莫托溝渠首、溫泉水文站、阿合奇水文站集水面積分別為63.09、2 206、938 km2，采用式（9）推算莫托溝渠首設計洪峰流量，計算結果詳見表4。

4.5 設計洪水計算結果合理性分析

推理公式法因其計算方法中所需確定的參數較多，且缺少流域或流域附近區域的相關實驗分析數據，使得計算精度無法保證；調蓄經驗單位線法的匯流參數t0和tm值均直接來自實測洪水過程線的宏觀分析，對小流域適應性較差；面積指數法因其選用的參證站溫泉水文站和阿合奇水文站分屬2 條河流，其產匯流、下墊面條件、流域集水面積和河槽調蓄能力與莫托溝差別較大，所以各計算斷面的設計值存在明顯差異；洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法綜合出地區洪水的規律性，充分利用設計流域調查洪水資料，解決了實際工作中無洪水資料流域設計洪水問題，因此推薦此方法計算結果作為本次莫托溝渠首工程設計洪水計算結果。各方法推求的莫托溝渠首設計洪水計算結果匯總，詳見表4。

5 結語

通過計算分析可知，以溫泉水文站、阿合奇水文站、沙爾托海水文站、精河山口水文站洪水資料頻率計算為基礎，采用氣候地形條件基本相似的水文站洪水資料，編制洪峰流量模比系數綜合頻率曲線，推求莫托溝渠首計算斷面設計洪水，縮小了計算結果因各站水文特性的差別和單站洪水資料推求設計洪水時的任意性，其50 a 一遇洪峰流量為80.0 m3/s，因此認為設計計算結果合理。