孔雀河第一分水樞紐處設(shè)計洪水分析

李華偉

（新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞水文勘測局，新疆 庫爾勒 841000）

1 概況

孔雀河第一分水樞紐位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)，是孔雀河上游Ⅲ等中型樞紐工程，建成于1968 年1 月，經(jīng)過多年運行，急需進行除險加固，故開展工程處設(shè)計洪水分析十分重要。

孔雀河發(fā)源于博斯騰湖，全長約420 km，支流哈滿溝是其主要洪水來源，在鐵門關(guān)水庫上游約8.94 km 處匯入孔雀河?？兹负拥谝环炙畼屑~設(shè)計洪水標準為20 a 一遇，相應(yīng)流量為243 m3∕s；校核洪水標準為50 a一遇，相應(yīng)流量為317 m3∕s。左岸庫塔干渠進水閘引水流量35 m3∕s，右岸十八團渠進水閘引水流量23 m3∕s[1，2]，主要擔負農(nóng)二師十八團渠灌區(qū)、庫塔干渠灌區(qū)（庫爾勒、尉犁縣）灌溉引水任務(wù)，控制灌溉面積54 633.6 hm2，庫塔干渠同時還承擔向塔里木河下游生態(tài)輸水的任務(wù)。第一分水樞紐上游水利工程和水文站網(wǎng)分布情況，如圖1所示。

圖1 孔雀河第一分水樞紐上游水利工程和水文站網(wǎng)分布情況示意

2 計算節(jié)點和方法

庫爾勒市周邊區(qū)域最高峰海拔高度3 000 m，沒有永久性冰川和積雪，冬季也無較厚積雪，山體較低，山巖風(fēng)化嚴重，巖石裸露、多裂隙、少植被，哈滿溝分布在其間，其集洪區(qū)內(nèi)地下水位多在5～8 m以下，不可能補給洪溝。當降雨強度小時，降水全部滲入地下，只有發(fā)生暴雨期間洪溝內(nèi)才會有洪水匯集。孔雀河的源頭為博斯騰湖，出水受到人為控制。分析發(fā)現(xiàn)，孔雀河洪水主要由哈滿溝的暴雨洪水匯入孔雀河形成，按洪水的成因分類，洪水類型為暴雨洪水。

2.1 參證站選定

孔雀河水文資料較少，塔什店（五）水文站是其觀測至今的唯一水文站，觀測項目有水位、流量、比降等。洪水主要由支流哈滿溝的暴雨洪水匯入形成，本次分析計算以石灰窯（觀測年限1954—1984 年）、塔什店（五）（觀測年限1982—2021 年）水文站為參證站。洪水分析計算節(jié)點為塔什店（五）水文站、哈滿溝入孔雀河處、石灰窯水文站以及第一分水樞紐處。

2.2 哈滿溝入孔雀河處洪水

哈滿溝位于霍拉山南坡，積水面積315 km2，長36.65 km，河道平均坡降58.6‰，是一條季節(jié)性山洪溝，只有發(fā)生暴雨期間才會有洪水匯集，平日無徑流，無水文監(jiān)測站點。經(jīng)洪水調(diào)查，孔雀河洪水主要由哈滿溝的暴雨洪水形成。

哈滿溝洪水資料貧乏，設(shè)計洪水計算相對困難，本次采用洪峰模比系數(shù)綜合頻率曲線法、洪峰模數(shù)法、設(shè)計暴雨推理公式法3 種方法對哈滿溝入河口設(shè)計洪水進行分析計算，同時進行對比分析和相互驗證，最終選用洪峰模比系數(shù)綜合頻率曲線法計算成果。

3 工程場址設(shè)計洪水計算

3.1 計算方法

孔雀河是一條人為控制的河流，洪水主要由哈滿溝暴雨洪水形成，大多發(fā)生在6—8 月。哈滿溝匯入孔雀河后4.29 km處有以發(fā)電為主的鐵門關(guān)水庫。鐵門關(guān)水庫是以發(fā)電為主的中型攔河水庫，1966 年8 月完工，設(shè)計總庫容724.3×104m3，最大蓄水量714×104m3，防洪庫容148×104m3，設(shè)計防洪標準為100 a一遇。

根據(jù)鐵門關(guān)水庫的防洪庫容計算，當哈滿溝發(fā)生2 a 一遇的常見洪水，再加上孔雀河6—8 月平均流量，水庫的防洪庫容不到4 h就可蓄滿。這也從側(cè)面反映出，當水庫上游發(fā)生洪水時，水庫基本上不蓄洪，來多少水就開閘放多少水。而水庫下游的河道河寬大部分在100 m 左右，河深在3～4 m，過水能力較強，加上鐵門關(guān)水庫最大下泄流量為400 m3∕s，所以水庫對下游防洪任務(wù)承擔作用小。

從孔雀河上游水管站第一分水樞紐的閘后自記水位紙記錄上可看出，閘后水位日變化較大，特別是20：00—次日6：00變幅可達16 cm，變化趨勢基本每天如此。經(jīng)分析，主要原因是由于調(diào)解庫容小，鐵門關(guān)電廠為保持閘前的水位足以保證發(fā)電，不得不頻繁地開啟和關(guān)閉閘門，這也側(cè)面反映了鐵門關(guān)水庫對河道正常流量只有很小的調(diào)解作用，對洪水的調(diào)解作用很小。

（1）1981年哈滿溝洪水調(diào)查情況顯示，當年7月30日，哈滿溝發(fā)生了219 m3∕s的暴雨洪水，約13：00開始漲水，15：30漲至洪峰。洪水起漲同時，水庫加大了下泄流量，但短短幾小時水庫幾乎全部蓄滿，水庫閘門全部打開，直到20：00水庫才開始正常出流。由此可以看出，由于水庫防洪庫容小、蓄滿歷時短，所以洪水來臨時泄洪閘全部打開泄洪，水庫不承擔防洪任務(wù)。鐵門關(guān)水庫防洪庫容148×104m3，不具備錯峰調(diào)洪能力，所以此次洪水分析不考慮鐵門關(guān)水庫作用。

（2）參評站設(shè)計洪水計算。采用石灰窯水文站實測資料法、哈滿溝設(shè)計值疊加塔什店（五）水文站有資料以來的最大實測洪峰流量法和哈滿溝設(shè)計值疊加石灰窯汛期6—8月設(shè)計值3種方法計算石灰窯水文站設(shè)計洪水。

（3）設(shè)計工況條件下的工程場址設(shè)計洪水計算。受1983 年博斯騰湖揚水站投入運行的影響，孔雀河上塔什店（五）水文站的水文監(jiān)測資料受人工影響較大，不宜進行水文頻率分析計算，結(jié)合現(xiàn)有資料情況從偏安全角度考慮，設(shè)計工況條件下的工程場址設(shè)計洪水以哈滿溝設(shè)計洪水為基礎(chǔ)，采用哈滿溝設(shè)計值疊加塔什店（五）水文站有資料以來的最大實測洪峰流量法和石灰窯水文站實測資料法計算工程場址處的設(shè)計洪水。

（4）洪峰衰減率采用2020 年1 月11、12 日以及2021 年7 月5 日總計3 次在各節(jié)點實測流量進行計算取均值所得。

（5）由于孔雀河大部分洪水資料源于塔什店（五）和石灰窯水文站斷面，所以本次分析計算應(yīng)用各種方法計算出的設(shè)計洪水均將設(shè)計洪水值推算到石灰窯水文站，然后進行合理性分析。

3.2 洪峰衰減率分析

2020年1月11、12日和2021年7月5日，在孔雀河塔什店（五）水文站和第一分水樞紐進行了流量測驗。塔什店（五）水文站流量測驗在該水文站的基本測流斷面進行，利用雙鎖纜車測流。第一分水樞紐的流量測驗，在分水樞紐下游的橋上進行。根據(jù)河寬均勻布設(shè)測深測速垂線（15～20條），采用Ls 25-1型流速儀鉛魚相對0.6一點法測流。測流結(jié)果，詳見表1。

表1 孔雀河實測流量和洪峰衰減率計算成果

由于此時為冬季，孔雀河的引水渠道沒有引水，流量無明顯日變化，因此此流量計算的洪峰沿程衰減率可代表河道的洪峰沿程衰減率。洪峰衰減率計算公式為：

式中：P衰減率為上游至下游洪峰沿程衰減率（%）；Q上游為上游實測流量值（m3∕s）；Q下游為下游實測流量值（m3∕s）；L為測流斷面之間的距離（km）[3]，取20.84 m。

式中相關(guān)參數(shù)取值及計算結(jié)果，詳見表1。

塔什店（五）水文站至第一分水樞紐的河道一部分為人工河道，一部分為天然河道，河道的規(guī)整度和河床的密實度相對較差，造成洪水阻力較大，洪峰衰減率隨之較大。由于冬季不引水灌溉，所以孔雀河流量無明顯日變化，夏季有引水灌溉，沿程洪峰衰減率具有代表性，所以塔什店（五）水文站至第一分水樞紐平均每公里洪峰衰減率為0.548%。

3.3 哈滿溝疊加塔什店（五）水文站最大洪峰流量計算

經(jīng)過對塔什店（五）水文站39 a水文資料查閱，塔什店（五）水文站最大洪峰流量為2002年的158 m3∕s。哈滿溝位于塔什店（五）水文站下游5.22 km處，洪峰衰減率為0.548%，經(jīng)計算得衰減后的最大洪峰流量為153 m3∕s，再疊加哈滿溝入河口設(shè)計洪水流量，結(jié)果詳見表2。

表2 哈滿溝疊加塔什店（五）水文站最大洪峰流量計算成果m3∕s

3.4 石灰窯水文站設(shè)計洪水計算

石灰窯水文站位于哈滿溝入孔雀河口處下游11.62 km 處，具有1954—1984 年30 a 觀測資料。本次分析計算采用3種方法對石灰窯水文站設(shè)計洪水進行分析計算，用以對比分析和相互驗證[4]。

（1）實測資料法。直接將石灰窯水文站30 a 的洪水資料進行頻率計算，由于鐵門關(guān)水庫對下游洪水調(diào)節(jié)作用很小，可考慮不計，所以石灰窯水文站在1983 年揚水站投入運行前的1954—1982 年洪水觀測資料真實反映了孔雀河近似天然條件下的洪水情況，詳見表3。

表3 石灰窯水文站不同頻率設(shè)計洪峰流量計算成果m3∕s

（2）哈滿溝洪水疊加塔什店（五）水文站最大洪峰法。1983 年博斯騰湖揚水站投入運行后，孔雀河源頭受人工控制，非自然出流，其洪水主要受到中途哈滿溝洪水匯入的影響。本次研究以哈滿溝洪水疊加塔什店（五）水文站1982—2021 年實測資料統(tǒng)計的最大洪峰流量為基礎(chǔ)，由此所得成果既考慮到了最不利因素又最符合目前孔雀河流域現(xiàn)狀，因此推薦使用該種方法計算的成果來推算工程場址處的設(shè)計工況條件下的設(shè)計洪水，詳見表3。

（3）同頻率設(shè)計洪水疊加法。疊加石灰窯水文站1954—1984年6—8月最大基流（所定基流是通過挑選6—8月最大月平均流量確定），然后再疊加哈滿溝的洪水，由此確定的基流存在一定誤差，而所推求的設(shè)計洪峰流量成果可作對比分析及參考使用，詳見表3。

3.5 工程場址設(shè)計洪水計算

3.5.1 近似天然條件下工程場址設(shè)計洪水計算

天然狀況下工程場址設(shè)計洪水是從最不利情況出發(fā)，即不考慮十八團大渠和庫塔干渠的分洪任務(wù)，經(jīng)過第一分水樞紐的全部孔雀河洪水。

第一分水樞紐位于石灰窯水文站下游4.0 km處，根據(jù)上文確定的塔什店（五）水文站至第一分水樞紐之間的洪峰衰減率（0.548%），將石灰窯水文站的設(shè)計洪峰流量推算到第一分水樞紐，其計算公式為：

式中：Q上i為上游斷面不同頻率設(shè)計洪峰流量（m3∕s）；Q下i為下游斷面不同頻率設(shè)計洪峰流量（m3∕s）；S損i為各斷面之間平均每公里洪峰衰減率（%）；Li為各斷面之間河道距離（km），取4.0 km。

式中相關(guān)參數(shù)取值及計算成果，詳見表4。

表4 天然條件下各斷面不同頻率設(shè)計洪峰流量計算成果m3∕s

3.5.2 設(shè)計工況條件下工程場址設(shè)計洪水計算

設(shè)計工況條件下，根據(jù)《孔雀河防洪預(yù)案》規(guī)定，當?shù)谝环炙畼屑~流量達到120 m3∕s 時，十八團大渠承擔23 m3∕s的分洪任務(wù)，庫塔干渠承擔27 m3∕s的分洪任務(wù)；當?shù)谝环炙畼屑~流量達不到120 m3∕s 時，不引洪[5]。根據(jù)洪峰衰減率0.548%，采用式（2），將石灰窯水文站的設(shè)計洪峰流量推算到第一分水樞紐，再將設(shè)計頻率下洪水流量大于120 m3∕s 的減去十八團大渠和庫塔干渠的分洪量，得到設(shè)計工況條件下第一分水樞紐的設(shè)計洪水成果，詳見表5。

表5 設(shè)計工況條件下各斷面不同頻率設(shè)計洪峰流量計算成果m3∕s

3.6 成果合理性分析

本次水文分析計算，洪峰衰減率是根據(jù)3 次在各節(jié)點進行的同期洪水實測資料進行計算的，其中2 次在2020 年冬季測量、一次在2021 年夏天測量，較好地反映了不同時期孔雀河各節(jié)點的洪峰衰減率，且3次實測資料計算的洪峰衰減率很接近，這說明洪峰衰減率的確定值是比較準確合理的，取3 次洪峰衰減率的均值推演工程場址的設(shè)計洪水也是準確合理的。

設(shè)計工況條件下的設(shè)計洪水計算，考慮了1983年以后博斯騰湖揚水站以及十八團大渠、庫塔干渠等引水樞紐工程運行帶來的分洪影響，以塔什店（五）水文站觀測的最大洪峰流量疊加哈滿溝的設(shè)計洪水，并考慮了設(shè)計工況條件下的最不利因素，與孔雀河現(xiàn)狀最為貼近，成果可靠。

4 結(jié)語

孔雀河第一分水樞紐洪水主要來源于哈滿溝，并受上游水利工程和分洪影響，加之水文資料缺乏，使得洪水計算難度較大。通過分析探討，得出塔什店（五）水文站至第一分水樞紐洪峰衰減率為0.548%，第一分水樞紐處10 a 一遇洪水為201 m3∕s，為工程建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。