高昌区黑沟河洪水衰减及设计洪水分析

龚旭锋

(吐鲁番水文勘测局，新疆 吐鲁番 838000)

1 概 况

黑沟河位于吐鲁番市高昌区境内，西侧与煤窑沟相邻，北与恰勒坎沟毗邻。河流自源头由东北向西南流，右岸有多条溪流由北向南流汇入干流，构成典型的梳状水系，流经约18 km至黑沟村，途中右岸先后汇入发源于北部汗尼霍腊达坂(海拔4114 m)南侧的汗尼霍河、琼夏达比什河、琼夏达河后转向南流，又16.0 km流出山口，经宽广的山前倾斜平原呈散流状河水，最后汇入尾闾为艾丁湖。

2 洪水特性分析

黑沟河流域属温带大陆性干旱气候，多年平均降水量为15.5 mm。黑沟河大部分洪水属突发性暴雨洪水，主要由大尺度天气系统过境造成，在流域北部中、低山区形成大范围降水和超渗产流，从而发生暴雨洪水。暴雨主要发生在夏季(6—8月)，山区发生暴雨概率比平原区大得多，暴雨的时间和空间分布极不均匀，局地性暴雨历时短(一般暴雨历时不超过6 h)，阵性强，笼罩面积小。洪水具有陡涨陡落，过程单一，峰型尖瘦，历时短，峰高量小，突发性强，来势迅猛，破坏性极强等特性[1]。

3 计算方法分析

3.1 洪水沿程变率分析

黑沟河洪水形成于中、高山带，从现场实际河床形态来看，黑沟河引水渠首以上河床狭窄，洪水集中，是洪水逐渐增大过程，属于洪水叠加区，黑沟河引水渠首以下洪水均为递减过程[2]。黑沟河引水渠首以下河段洪水成因较为复杂，洪水沿着黑沟河干渠，区间煤窑沟与黑沟河、黑沟河与恰勒坎中间洪沟汇合后流入到胜金乡、三堡乡，最终流入艾丁湖。根据黑沟河上下游洪水成因和沿程变化，按最不利因素考虑，本次从黑沟河渠首到三堡乡项目区之间共布设了5个断面和6个暴雨区间。

A断面为黑沟河引水渠首。洪沟1位于煤窑沟和黑沟河区间，流入到胜金乡及B断面、D断面、E断面；黑沟河为洪沟2，其洪水沿着天然河道也流入胜金乡及B断面、D断面、E断面；洪沟3位于黑沟河和恰勒坎河之间，也流入到胜金乡及B断面、D断面、E断面；黑沟河和恰勒坎河区间的洪沟4和恰勒坎与二塘沟河区间的洪沟5也流入到D断面、E断面。D断面、E断面为此次工程设计洪水计算点。

其洪水沿程变化：

一是洪水出山口后沿着黑沟河干渠，从西向东煤窑沟与黑沟河区间洪沟(洪沟1)、黑沟河下游河床(洪沟2)及黑沟河与恰勒坎之间(洪沟3)洪沟汇入后逐步演变成宽浅河床，分别流入胜金乡后，流入B断面。

二是黑沟河与恰勒坎之间洪沟(洪沟4)及恰勒坎与二塘沟之间洪沟(洪沟5)沿着100 km2的大戈壁分别流入到胜金乡胜金台和胜金口水库，洪水通过千佛洞B断面再与C断面(胜金台和胜金口水库下泄量)在312国道处叠加后流进三堡乡防洪D断面。

三是黑沟河及各区间洪水在D断面汇合后流入E断面，最终流入到艾丁湖。

各洪沟位置及防洪断面分布情况见图1。

图1 黑沟河下游各断面布置示意图

3.2 设计洪水计算思路

根据洪水沿程衰变实际情况，本次项目区E断面洪水计算思路为：计算出A断面衰减到D断面的设计洪水，距离37.10 km；计算出洪沟1、洪沟2、洪沟3衰减到D断面的设计洪水，距离4.70 km；C断面设计洪水为胜金口水库最大下泄量，胜金口水库30 a一遇最大下泄流量11.61 m3/s，100 a一遇最大下泄流量11.76 m3/s，计算出C断面衰减到D断面的设计洪水；计算出D断面衰减到E断面的设计洪水，距离11.00 km。

4 黑沟河设计洪水计算

4.1 A断面设计洪水

黑沟河除了有1981年、1998年、2005年和2012年洪水调查值外，没有任何洪水资料。黑沟河流域以西有多条河沟和水文站，其中，距离最近的有煤窑沟和喀尔于孜萨依沟，煤窑沟水文站具有66 a(1955—2020年)长系列的水文资料，本次设计洪水计算以煤窑沟站作为参证站，采用推理公式法、洪峰模数法、洪峰流量模比系数综合频率曲线法对黑沟河渠首引水A断面进行分析计算[3]。洪水计算结果见表1。

表1 黑沟河渠首设计洪峰流量成果对比 m3·s-1

表1中，洪峰流量模比系数地区综合频率曲线法，采用1981年洪水调查值计算设计成果，重现期46 a相应的模比系数5.1452，重现期23 a相应的模比系数3.9302，求得KP值及黑沟河不同设计频率的设计洪峰流量，但计算成果较其他两种方法明显偏小。1998年洪水调查值计算结果更小。

推理公式法用煤窑沟站1978—2020年实测最大1日和24小时点降水量系列进行频率计算，得出多年平均最大1日和最大24小时降雨量、Cv、Cs及各频率设计值。从《新疆维吾尔自治区可能最大暴雨图集》《年最大24小时点雨量均值等值线图》中可查出[4]，A断面最大24小时点降水量均值为20.0 mm。再根据《新疆短缺资料中小河流设计洪水计算应用方法》可查出吐哈地区点面降雨量折算系数为1.263，用煤窑沟站24小时点降水量统计参数Cv=0.7、Cs/Cv=4.0，可计算出A断面设计24小时点和面降水量。暴雨衰减指数n为0.80，土壤损失系数和土壤损失指数分别为0.90和0.62。结合该流域的下垫面条件情况，分别选用不同参数，计算出A点设计洪水。因为选用资料具有较好的代表性，各参数选用依据充分，所以，计算结果比较科学。

洪峰模数法：黑沟河与参证流域地处同一气候分区，其流域特性、下垫面和洪水特性也具有相似性，但两者集水面积相差过大，本次计算作为参考。

综上分析，推理公式法计算成果介于洪峰模数法与洪峰流量模比系数地区综合频率曲线法计算成果之间，基于设计安全考虑，本次采用推理公式法计算成果作为黑沟河引水渠首A断面设计洪水最终成果。

4.2 洪水衰减率分析

由于黑沟河上下游均缺乏洪水资料，下游各防洪断面无法找出明显的洪水痕迹，加之上下游只有一个洪水调查值，本次采用周边水文站及河流洪水衰减实验资料进行综合分析。即采用黑沟河上下游洪水调查值和临近河流煤窑沟和喀尔于孜萨依沟上下游洪水衰减率资料综合确定黑沟河下游洪水衰减率，具体分析如下。

(1) 黑沟河上下游洪水衰减率计算。根据1981年A断面及下游3.5 km处洪水调查值(分别为162.0 m3/s、145.0 m3/s)，采用洪峰流量沿程绝对衰减损失量，如式(1)：

Di=Qms-Qmx

(1)

式中：Di为洪峰流量沿程绝对衰减损失量，m3/s；Qms为上游断面洪峰流量，m3/s；Qmx为下游断面洪峰流量，m3/s

洪峰流量沿程每公里相对衰减损失率计算如式(2)：

Ki=(Qms-Qmx)/(Qms·Lsx)

(2)

式中：Ki为洪峰流量沿程每公里相对衰减损失率；Lsx为上、下游调查断面之间的距离，km。

由式(1)计算出各调查断面沿程绝对衰减损失量为17.0 m3/s，由式(2)可计算出洪峰流量沿程每公里相对衰减损失率为3.0%。

(2)煤窑沟河上下游洪水衰减率。2005年8月5日煤窑沟水文站实测最大洪峰流量246.0 m3/s，经6.0 km河道运行至调查断面(下坝址)洪峰流量为219.0 m3/s，洪水相对衰减率为11.0%，平均每公里衰减1.8%。

(3)喀尔于孜萨依沟洪水衰减率计算。喀尔于孜萨依沟位于煤窑沟和塔尔朗流域区间的非控制区内，总面积为531 km2，其中山区(洪沟1、洪沟2、洪沟3)面积为144 km2，平原(戈壁)区面积为207 km2。等高线1400 m以下至葡萄沟沟口区域为平原区(戈壁区)，属于不产流区，不可能发生洪水，为洪水散失区。洪水散失区河床距离为25.0 km，为洪水衰减段。2012年洪水调查衰减段洪峰流量为60.0 m3/s。

由式(1)计算出各调查断面沿程绝对衰减损失量为147.0 m3/s，由式(2)可计算出沿程每公里相对衰减损失率为2.8%。

(4)衰减率确定。虽然黑沟河和临近河流煤窑沟河集水面积相差较大，但是两河上下游河床变化基本接近。喀尔于孜萨依沟属于煤窑沟河下游洪沟，其河床组成和趋势变化与黑沟河下游相似，因此，从偏于安全考虑，本次计算取用黑沟河、煤窑沟和喀尔于孜萨依沟每公里平均衰减率2.5%来计算黑沟河下游各防洪断面设计洪水较为合理，见表2。

表2 黑沟河及周边河流洪水衰减计算分析成果

4.3 各洪沟暴雨洪水计算

由于各区间无任何洪水资料，因此本次采用推理公式法计算各洪沟区间暴雨，其采用参数见表3。

表3 区间各洪沟暴雨洪水参数统计

用推理公式法计算各洪沟设计洪水成果。

4.4 项目区E断面设计洪水计算

D断面设计洪水构成为：A断面衰减到D断面的设计洪水+洪沟1、洪沟2、洪沟3衰减到D断面的设计洪水+C断面的设计洪水+洪沟6的设计洪水，E断面设计洪水构成为：D断面衰减到E断面的设计洪水。其成果见表4和表5。

表4 项目区上游各断面设计洪水成果 m3·s-1

表5 项目区E断面设计洪水成果 m3·s-1

5 结 语

黑沟河无水文资料，区间有多条洪沟汇入，使得下游三堡乡防洪工程D断面、E断面的设计洪水计算难度大大增加。通过分析可知，黑沟河洪水从上游渠首引水断面开始到下游，一直处于衰减情况。经过确定黑沟河洪水衰减率2.5%，由渠首设计洪水逐渐演算到各洪沟汇入节点，进而推算出防洪工程D断面、E断面不同频率下的设计洪峰流量，为工程建设提供了科学依据。