恰克瑪克河塔格博依渠首設(shè)計(jì)年徑流分析

孫本國(guó)

(新疆維吾爾自治區(qū)水文局水文實(shí)驗(yàn)站，新疆 烏魯木齊 830000)

1 流域概況

恰克瑪克河發(fā)源于中、吉邊境的圖嚕噶爾特山南麓，位于塔里木盆地西部。其西北與吉爾吉斯斯坦交界，南與克孜河毗鄰，東部與布古孜河接壤，西鄰克孜河支流卡浪溝呂克河，河流大體上呈西北—東南流向。與布古孜河匯合處以上流域面積4820 km2，河道縱坡平均比降約18‰，河流全長(zhǎng)165 km。恰克瑪克河沿河已修建引水樞紐有恰克瑪克河引水渠首、庫(kù)曲灣渠首、塔格博依渠首，小型水庫(kù)兩座，為托喀依水庫(kù)和欄桿水庫(kù)[1]。

塔格博依渠首位于恰克瑪克河岔流伯什克然木河上，系丘陵區(qū)攔河引水樞紐，在恰其嘎水文站下游37.8 km，在恰克瑪克河渠首下游35.9 km，塔格博依渠首建于1991年，承擔(dān)灌區(qū)0.35萬(wàn)hm2農(nóng)田的灌溉任務(wù)。工程主要為進(jìn)水閘、泄洪沖沙閘、溢流堰、上下游河道整治段組成，屬Ⅲ等中型工程。主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)20 a一遇，洪峰流量394 m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)50 a一遇，洪峰流量636 m3/s。其中：進(jìn)水閘設(shè)計(jì)引水流量10 m3/s，泄洪沖沙閘設(shè)計(jì)過(guò)水流量50 m3/s，溢流堰設(shè)計(jì)過(guò)水流量576 m3/s。塔格博依渠首水閘經(jīng)過(guò)水閘安全鑒定，鑒定結(jié)果為四類(lèi)閘。水文計(jì)算斷面在渠首工程上游100 m處，渠首工程場(chǎng)址和洪水調(diào)查斷面見(jiàn)圖1。

圖1 渠首工程場(chǎng)址和洪水調(diào)查斷面

2 水文站概況

新疆水文水資源局在恰克瑪克河干流先后設(shè)立了巴音谷魯提站和恰其嘎站2 處國(guó)家基本水文站，本次分析計(jì)算選用的參證站為恰其嘎水文站。恰其嘎水文站位于小阿圖什鄉(xiāng)喀爾果勒山口，是恰克馬克河出山口水量控制站，測(cè)站以上河長(zhǎng)125 km，集水面積為3788 km2。設(shè)立于1976年 9月，觀測(cè)至今，屬于國(guó)家基本水文站，該站斷面沒(méi)有進(jìn)行過(guò)遷移。在電站引水渠和河道上設(shè)有兩個(gè)測(cè)驗(yàn)斷面，電站引水渠在恰其嘎水文站上游引水，在恰克瑪克渠首前匯入恰克瑪克河。觀測(cè)項(xiàng)目有水位、流量、降水、蒸發(fā)、水溫、氣溫、冰情等，1981年起增加懸移質(zhì)泥沙、水質(zhì)等項(xiàng)目。選用資料為兩個(gè)斷面的合成資料。水位觀測(cè)在汛期采用自記水位計(jì)觀測(cè)，每日8時(shí)、20時(shí)人工校核兩次；非汛期由人工觀測(cè)且視水位變化，增加觀測(cè)次數(shù)；冰期每日觀測(cè)2次。因恰克瑪克河中下游河段無(wú)水文觀測(cè)資料，本次工程場(chǎng)址設(shè)計(jì)徑流采用水管資料推算[2]。

3 年徑流分析

3.1 徑流特性

3.1.1 徑流組成

恰克瑪克河屬降雨、季節(jié)性積雪和地下水補(bǔ)給型河流，其徑流補(bǔ)給形式：3—6 月底主要為融水和地下水補(bǔ)給，7—9 月主要由地下水、雨洪補(bǔ)給，10 月底至次年3 月為地下水補(bǔ)給。由徑流統(tǒng)計(jì)時(shí)段分析來(lái)看，雨、雪混合補(bǔ)給量占年徑流量的66.7%，地下水補(bǔ)給量占年徑流量的33.3%。由此可見(jiàn)，雨、雪混合補(bǔ)給是恰克瑪克河徑流的主要來(lái)源。

3.1.2 徑流的年際變化

對(duì)恰克瑪克河恰其嘎站實(shí)測(cè)43 a徑流系列分析，2012年為最豐年，年徑流量為3.685×108m3，1977年為最枯水年，年徑流量為0.814×108m3，年徑流量的最大變幅為多年平均徑流量的1.8倍，年最大徑流量為年最小徑流量4.5倍。以雨雪混合補(bǔ)給為主的恰克瑪克河年徑流量隨降水而變化，因?yàn)楦珊祬^(qū)的降水量年際變化大，受其影響的河流徑流量年際變化亦大[3-5]。

3.1.3 徑流的年內(nèi)變化

恰克瑪克河流域氣候干旱，四季分明，河流徑流量隨季節(jié)轉(zhuǎn)換而發(fā)生變化，且與補(bǔ)給類(lèi)型息息相關(guān)，雨水和融雪的季節(jié)性較強(qiáng)，也就是說(shuō)雨雪補(bǔ)給加劇了徑流年變化的不均勻性，由于恰克瑪克河無(wú)冰川補(bǔ)給，尤其以熱量豐富的4—8月消融最強(qiáng)烈，常出現(xiàn)融雪洪水和暴雨洪水。

3.2 徑流系列的三性分析

恰其嘎站是恰克瑪克河上系列較長(zhǎng)的測(cè)站，具有1977—2019年實(shí)測(cè)徑流資料，本次以該站徑流資料進(jìn)行三性分析。恰其嘎站位于恰克瑪克出山口處，是國(guó)家基本站，水文測(cè)驗(yàn)、資料整編及刊印均嚴(yán)格按照國(guó)家行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，成果可靠，精度較高，可滿(mǎn)足本項(xiàng)目水文分析計(jì)算要求。

恰其嘎站位于恰克瑪克出山口處，該站上游河段無(wú)永久水利引蓄水工程設(shè)施，山區(qū)基本上屬無(wú)人類(lèi)活動(dòng)區(qū)，即徑流形成區(qū)，下墊面條件、降雨入滲、坡面流、蒸發(fā)等水平衡要素基本未受人類(lèi)活動(dòng)影響，發(fā)生變化十分微弱，未改變山區(qū)的產(chǎn)匯流規(guī)律及一致性。因此，資料系列具有一致性。

恰其嘎站年際變化過(guò)程大致為：1977—1986年為枯水年群，1987—1994年為平水年群，1995—2005年為豐水年群，2006—2009年為枯水年群，2010—2012年為豐水年群，2013—2019年為枯水年群?？梢?jiàn)該系列包含了年徑流豐、平、枯水變化過(guò)程，年徑流具有一定的代表性。

恰其嘎站年徑流累積曲線(xiàn)隨時(shí)間的增加，變幅越來(lái)越小，當(dāng)在系列長(zhǎng)度達(dá)28 a以上時(shí)，模比系數(shù)累積平均值在1上下波動(dòng)，波幅小于5%，當(dāng)系列長(zhǎng)度在30 a以上時(shí),模比系數(shù)累積平均值穩(wěn)定趨于1，可見(jiàn)年徑流系列均值具有較好的穩(wěn)定性。

不同時(shí)段年徑流均值相對(duì)該站長(zhǎng)系列均值變幅不大，當(dāng)系列長(zhǎng)度超過(guò)40 a時(shí)，均值相對(duì)誤差在0～2.62%之間，Cv矩法估計(jì)值的相對(duì)誤差在0～-5.48%之間。恰克瑪克河年徑流系列包含了年徑流豐、平、枯水變化過(guò)程，隨著徑流系列長(zhǎng)度的增加，系列漸趨穩(wěn)定?？梢哉J(rèn)為，恰克瑪克河43年連續(xù)系列具有一定的代表性。

3.3 徑流計(jì)算

以恰其嘎水文站為主要參證站，根據(jù)恰克馬克渠首水量調(diào)度原則，首先進(jìn)行伯什克然木河起始斷面的設(shè)計(jì)年徑流及年內(nèi)分配計(jì)算；而后在伯什克然木河徑流沿程變化分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算塔格博依渠首設(shè)計(jì)年徑流及年內(nèi)分配。

3.3.1 參證站設(shè)計(jì)年徑流

參證站設(shè)計(jì)年徑流徑流計(jì)算過(guò)程中的設(shè)計(jì)參證站為恰其嘎站，對(duì)恰其嘎站1977—2019年43 a實(shí)測(cè)年徑流系列進(jìn)行P-Ⅲ型曲線(xiàn)適線(xiàn)，把以前報(bào)告中到2009年成果與本次到2019年成果進(jìn)行對(duì)比，成果見(jiàn)表1。

表1 參證站設(shè)計(jì)年徑流成果

3.3.2 典型年的選擇及設(shè)計(jì)年徑流量月分配

典型年徑流量應(yīng)盡量與設(shè)計(jì)代表年相接近；重點(diǎn)考慮年內(nèi)分配極不均勻年作典型年；同時(shí)有幾個(gè)年份滿(mǎn)足條件時(shí)，則應(yīng)選擇灌溉期內(nèi)最枯年份作為典型年。根據(jù)上述原則，從恰其嘎站年徑流系列中，分別選擇出1987年為保證率25%的典型年、2001年為保證率50%的典型年、1991年為保證率75%的典型年、1977年為保證率95%的典型年。

用設(shè)計(jì)年水量與代表年的年水量比值對(duì)整個(gè)代表年的月徑流過(guò)程進(jìn)行縮放。以縮放倍比乘各自的代表年逐月徑流即得設(shè)計(jì)年內(nèi)分配。

3.3.3 工程場(chǎng)址設(shè)計(jì)年徑流

(1)南支起始斷面設(shè)計(jì)年徑流。項(xiàng)目組收集到恰克瑪克河渠首兩種分水比例主要內(nèi)容：<20 m3/s時(shí)，給喀什市伯什克然木河引水量為25%，>20 m3/s 時(shí)，給喀什市伯什克然木河分水量為50%。項(xiàng)目組收集到恰其嘎站多年資料，分析各月平均流量資料，其中只有12 個(gè)月平均流量大于20 m3/s，最大月平均流量為32.4 m3/s(1995年 5月)，即只有3%的月份可按50%比例分水。再分析所有日平均流量資料，其中,有560 個(gè)日平均流量大于20 m3/s，即只有4.6%的日數(shù)是按50%比例分水，其余95.4%的日數(shù)按25%比例分水，經(jīng)計(jì)算恰克瑪克河渠首多年平均分水比例為26%。綜合分析恰恰克瑪克河的洪水成因、類(lèi)型和特征，恰克瑪克河大于20 m3/s 的時(shí)間是有限的，即恰克瑪克渠首按50%比例分水的時(shí)間是有限的，恰克瑪克渠首絕大部分時(shí)間是按25%給喀什市伯什克然木河分水。計(jì)算南支伯什克然木河起始斷面的設(shè)計(jì)年徑流量，參照恰其嘎站典型年與設(shè)計(jì)年比值，推求設(shè)計(jì)年逐日流量，而后合成，再按恰克馬克渠首水量調(diào)度原則推演出南支起始斷面的設(shè)計(jì)年徑流及年內(nèi)分配。

(2)工程場(chǎng)址斷面設(shè)計(jì)年徑流。恰克瑪克河水經(jīng)恰克瑪克渠首按比例分水給南支伯什克然木河，在庫(kù)曲灣斷面進(jìn)行引水，小于2 m3/s 引入引水渠，大于2 m3/s 泄入河道，在下游塔格博依渠首引入欄桿水庫(kù)引水渠。從喀什市水利局收集庫(kù)曲灣渠首2000—2009年引水資料，并對(duì)同期的恰其嘎站，南支起始斷面分水量和庫(kù)曲灣渠首引水量進(jìn)行分析，成果見(jiàn)表2。從該水閘除險(xiǎn)加固技術(shù)咨詢(xún)報(bào)告中得知，對(duì)塔格博依渠改造方案是在塔格博依渠首下游新建渡槽，即將塔格博依渠水與伯什克然木河水分開(kāi)，是立交引水，本文不考慮塔格博依渠引水。調(diào)查組對(duì)恰克瑪克河各斷面(恰其嘎站、南支起始斷面、庫(kù)曲灣斷面、塔格博依渠首斷面)的日平均流量進(jìn)行調(diào)查，經(jīng)分析各斷面衰減成果見(jiàn)圖2。調(diào)查時(shí)也向喀什市水利局咨詢(xún)恰克瑪克河各斷面水量衰減問(wèn)題，南支河道開(kāi)始走水時(shí)水量衰減達(dá)到50%～60%，河道經(jīng)常走水后，水量衰減為30%～40%。經(jīng)對(duì)表3 和詢(xún)問(wèn)的兩種衰減分析，確定南支起始斷面到庫(kù)曲灣斷面的水量衰減平均為27.6%，庫(kù)曲灣河道下泄水量按庫(kù)曲灣斷面總水量減去庫(kù)曲灣渠道引水量計(jì)算，庫(kù)曲灣河道下泄水量到塔格博依渠首斷面的水量衰減平均為16.2%。以表2、表3分別計(jì)算得塔格博依渠首斷面的設(shè)計(jì)年徑流和年內(nèi)分配，成果見(jiàn)圖2。

(a)設(shè)計(jì)年(典型年)徑流量

表2 恰其嘎站、南支起始斷面、庫(kù)曲灣站徑流量分析

表3 2010年恰克瑪克河各斷面日平均流量調(diào)查分析 m3·s-1

3.4 設(shè)計(jì)徑流成果的合理性分析

本次徑流分析計(jì)算選用參證站有恰克瑪克河水量控制站恰其嘎站，為國(guó)家基本水文測(cè)站，觀測(cè)資料系列較長(zhǎng)，應(yīng)用其實(shí)測(cè)資料頻率分析計(jì)算的設(shè)計(jì)成果能夠基本反映徑流變化規(guī)律，設(shè)計(jì)成果合理。因?yàn)榍∑涓滤恼局凉こ虉?chǎng)址區(qū)間無(wú)水文資料，區(qū)間經(jīng)過(guò)幾次分水，徑流沿程變化受人為影響很大，徑流分析計(jì)算的難度很大。項(xiàng)目組以恰其嘎站為主要參證站，根據(jù)恰克瑪克河渠首水量調(diào)度原則，首先進(jìn)行南支伯什克然木河起始斷面的設(shè)計(jì)年徑流計(jì)算，在分析伯什克然木河徑流沿程變化的基礎(chǔ)上，計(jì)算塔格博依渠首設(shè)計(jì)年徑流及年內(nèi)分配，計(jì)算成果是合理的。

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合恰克瑪克河流域內(nèi)水文參證站相關(guān)數(shù)據(jù)信息，對(duì)設(shè)計(jì)年徑流年內(nèi)分配進(jìn)行計(jì)算分析，整體體現(xiàn)出非常高的可信度，滿(mǎn)足渠首設(shè)計(jì)徑流要求，保障了流域內(nèi)塔格博依渠首的，可以了解多年一遇渠道的設(shè)計(jì)洪水情況，能夠充分利用水能資源，確保恰克瑪克河發(fā)揮最大的綜合效益，可為恰克瑪克河塔格博依渠首后期加固改造工程設(shè)計(jì)分析提供參考依據(jù)。