(新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 石河子 832000)

1 河流概況

瑪納斯河(以下簡稱瑪河)流域?qū)儆谛陆焐奖逼陆?jīng)濟(jì)帶的重要區(qū)域，北部是古爾班通古特沙漠，東西分別與塔西河、巴音溝河流域接壤，南部緊鄰哈比爾尕山且被靜縣所包含。從地理位置看，瑪河處在東經(jīng)85°01′～86°32′、北緯43°27′～45°21′之間，流域面積19800km2。天山北麓依連哈比爾尕山[1]是瑪河的“根”，瑪河自發(fā)源處起全長324km，由南至北貫穿整個噶爾盆地，是融雪型河流的代表。據(jù)瑪河流域多達(dá)7處水文站測算，該河流多年以來平均徑流量達(dá)12.31億m3，其中以紅山嘴水文站為界，上流集水面積達(dá)5156km2，整個上游長度190km。以肯斯瓦特水文站1954—2016年共計63年徑流資料為例，肯斯瓦特斷面瑪河多年平均年徑流量12.56億m3，紅山嘴斷面多年平均徑流量13.41億m3。通過對上述年份的徑流資料進(jìn)行歸納發(fā)現(xiàn)該河徑流的年內(nèi)分配主要集中于6—9月，水量達(dá)到全年徑流量的80.11%，其中占比最大的月份為夏季的7月和8月，總量占到年徑流量的55.34%[2]。

2 洪水成因分析

調(diào)查發(fā)現(xiàn)瑪河的汛期為每年的7月和8月。我們對1953—2007年該流域的水文數(shù)據(jù)作了綜合分析，結(jié)果顯示歷年洪水洪峰流量發(fā)生月份在7月和8月的占比達(dá)到96%，而其余兩年的洪峰流量依然出現(xiàn)在6月下旬至7月上旬。根據(jù)氣溫變化我們推論出該流域洪水的主要成因是積雪融化，7月的高溫氣溫導(dǎo)致山脈的積雪融化，從而顯著增大了該流域洪水發(fā)生的概率。除此之外，該區(qū)域夏季降雨豐富，集中在5—8月的連續(xù)降雨成為了洪水暴發(fā)的“輔助力量”。以下三種洪水類型是我們按照一般洪水成因?qū)Μ敽恿饔虻暮樗鞯娜N區(qū)分：

a.消融型洪水。隨著氣溫升高，山脈的長期性積雪消融，而洪水的峰量也隨著氣溫變化而改變，有顯著的規(guī)律性。通過觀察發(fā)現(xiàn)在整個汛期，洪水很大程度地表現(xiàn)出“一日一峰”的現(xiàn)象，這說明在整個汛期，這類洪水水量占有非常大的比例。

b.暴雨型洪水。暴雨型洪水主要受兩個因素制約——天氣和地形。暴雨多見于山區(qū)中部，豐富的降雨量加上天然的山谷地形使得這類洪水成型速度快、水勢兇猛、伴隨泥石流等災(zāi)害同時發(fā)生。但是這類洪水一般峰高量少，所謂來得快去得也快，雨停則洪水滅。

c.綜合型洪水。顧名思義綜合性洪水的特性包含了上述兩種類型洪水的所有特征，是他們的綜合體。每年7月和8月都會在瑪河流域形成長達(dá)兩個月的高洪峰、大洪量洪水，伴隨兩個月連續(xù)的高溫和高降水量，中部暴雨與上部冰雪消融水形成疊加組成了具有嚴(yán)重破壞性的綜合型洪水，這是水利工程和水庫工程的主要防范對象。

3 防洪水文數(shù)據(jù)分析

3.1 水文觀測站選取

自1952年起，瑪河共設(shè)置紅山嘴、肯斯瓦特等7處水文觀測站(具體水文站信息見表1)。這7處水文站，均由新疆維吾爾自治區(qū)水利廳設(shè)立，由自治區(qū)水文局直接管理。但伴隨站點(diǎn)改變和撤銷情況發(fā)生，截至目前，該河流域僅留存有3處水文站——紅霓溝煤窯站、清水河子站和肯斯瓦特站。1995年至今，瑪河流域管理處在紅山嘴站撤站渠首觀測，觀測項目為徑流。

表1 瑪河各水文站基本情況

從表1中可以看出工作時間最久的水文站為肯斯瓦特水文站，其地理位置見圖1。該站點(diǎn)處在東經(jīng)85°57′、北緯43°58′，從站點(diǎn)位置可以看出該站點(diǎn)幾乎控制了瑪河所有的地表支流。此站于1955年5月始運(yùn)行，8年后首次做了下遷調(diào)動——自原位置向下游遷離了40m。后由于氣候原因在1975年做了“停測一年”的整改，停測前后的數(shù)據(jù)波動可忽略不計，并且能合并統(tǒng)計繼續(xù)使用[2]。

相較現(xiàn)存的其他兩個水文站，肯斯瓦特站點(diǎn)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在規(guī)整的測驗(yàn)斷面、穩(wěn)定的河床以及良好的控制條件。此外，該站點(diǎn)管理制度完善，各項資料信息在發(fā)布之前均需經(jīng)過水文資源分局乃至水文資源總局的審查，由此可見此站點(diǎn)的信息精度具有官方驗(yàn)證的準(zhǔn)確性。更重要的是該站點(diǎn)具備過硬的檢測設(shè)備與硬件措施，比如該水文站使用浮標(biāo)和流速儀做流量測驗(yàn)，而泥沙測驗(yàn)用到了瓶式采樣器。蒸發(fā)量以20cm蒸發(fā)皿觀測，降水量觀測采用20cm口徑雨量器。通過分析收集到的肯斯瓦特水文站測得的連續(xù)60余年洪水資料和徑流資料，并結(jié)合鐵道部第一設(shè)計院、自治區(qū)公路局、新疆農(nóng)墾總局設(shè)計院和石河子水文水資源局等多家單位對瑪河歷史洪水的調(diào)查成果報告，可以匯總凝練出具有權(quán)威性和高精度的一手資料，這對整個項目具有重要的意義。

圖1 肯斯瓦特水文站位置

3.2 歷史防洪水文數(shù)據(jù)分析

對歷史數(shù)據(jù)作有針對性的分析有助于我們總結(jié)事物發(fā)展的客觀規(guī)律，構(gòu)建一系列方法?，敽拥臍v史洪水調(diào)查和考證從未停止過，從1956年至今有超過四家單位參與到這項工作中來，其中1956年鐵道部設(shè)計院和1977年新疆農(nóng)墾總局設(shè)計院的調(diào)查最具代表性與參考價值。前者對1901—1956年間的洪水進(jìn)行了流量統(tǒng)計并做了排序。此外，他們還由此推得1931年洪峰流量為843m3/s(瑪河公路橋附近)、離勢系數(shù)為0.7、100年一遇洪峰流量為1130m3/s、300年一遇洪峰流量為1331m3/s。后者與石河子水文隊合作，針對此項工作前后花費(fèi)3個月時間做了細(xì)致調(diào)查，部分調(diào)查成果見表2。

表2 瑪河干流歷史洪水調(diào)查成果

3.3 徑流特征

新疆北部多數(shù)河流屬于綜合型補(bǔ)給河流，瑪河作為北疆關(guān)鍵性河流其徑流特征也具有代表性?！八髯兓鄬^緩、雨水分配集中、氣溫影響大”是北疆綜合型河流最典型的特征。氣溫變化導(dǎo)致年徑流量發(fā)生改變，同時降水又制約著這種波動，從而保證了北疆綜合性河流多年以來徑流量的相對平穩(wěn)。表3反映了肯斯瓦特水文站徑流多年平均月的分配情況(以1954—2007年共54年徑流資料為例)。

表3 肯斯瓦特站徑流多年平均月分配

3.4 洪峰分析

3.4.1 洪水系列代表性分析

以下是依據(jù)肯斯瓦特水文站1953—2007年共計55年的洪峰數(shù)據(jù)繪制的一系列曲線圖，從逐年洪峰流量過程線(見圖2)、洪峰流量模比系數(shù)差積曲線(見圖3)和洪峰流量模比系數(shù)逆累進(jìn)均值曲線(見圖4)上可以看出，這系列洪峰曲線圖囊括了大、中、小三類洪峰點(diǎn)[2]，由此說明現(xiàn)有洪水系列總體而言具有較好的代表性。

圖2 肯斯瓦特站逐年洪峰流量過程線

圖3 肯斯瓦特站洪峰流量模比系數(shù)逆累進(jìn)曲線

圖4 肯斯瓦特站洪峰流量模比系數(shù)差積曲線

3.4.2 設(shè)計洪水過程線計算

結(jié)合肯斯瓦特斷面歷史洪水調(diào)查成果，觀察折線圖峰量變化關(guān)系并對1906年和1940年歷史洪水各時段洪量進(jìn)行了插補(bǔ)[3]加入，隨后將這兩年的歷史洪水成果與1999年洪水進(jìn)行第一至第三的等級排序，設(shè)計洪水計算時，重現(xiàn)期分別定為100年、50年和30年。根據(jù)肯斯瓦特水文站斷面1953—2007年共55年實(shí)測洪水資料與1906年、1940年歷史洪水成果資料，對肯斯瓦特斷面設(shè)計洪水進(jìn)行頻率計算。連續(xù)洪水系列按下列數(shù)學(xué)期望公式[4]計算經(jīng)驗(yàn)頻率:

式中Pm——第m位洪水的經(jīng)驗(yàn)效率；

m——洪水峰(量)值按大小順序排位,m=0,1,2,…,n;

n——洪水峰(量)系列長度。

特大洪水經(jīng)驗(yàn)頻率采用下式計算：

式中M——特大值順序由大到小排位;

N——調(diào)查洪水考證期。

對于剔除特大值后的洪水系列,經(jīng)驗(yàn)頻率則采用下式計算:

式中a——特大洪水個數(shù);

m=L+1,……,n;

L——實(shí)測連續(xù)系列中特大洪水個數(shù)。

統(tǒng)計參數(shù)采用矩法初步估算；肯斯瓦特斷面歷史與實(shí)測特大洪水峰、量統(tǒng)計見表4，P-Ⅲ型曲線適線、設(shè)計洪峰和各時段洪量計算成果見圖5～圖8。

表4 肯斯瓦特斷面歷史與實(shí)測特大洪水峰、量統(tǒng)計

圖5 肯斯瓦特站最大洪峰洪量頻率曲線

圖6 肯斯瓦特站最大24h洪量頻率曲線

圖7 肯斯瓦特站最大3日洪量頻率曲線

圖8 肯斯瓦特站最大15日洪量頻率曲線

典型洪水過程線需按照高精度、高度代表性和高影響力度三種指標(biāo)[5]來選取，此項工程如實(shí)考慮了上述三種指標(biāo)并選取了符合標(biāo)準(zhǔn)的線型。通過對肯斯瓦特站近50年實(shí)測洪水過程線的分析，認(rèn)為1996年洪水滿足上述要求，因此在本階段工作中以1996年洪水過程線作為設(shè)計洪水的典型線。利用同頻率法計算設(shè)計洪水過程線，接著根據(jù)系列峰、量頻率求得確定的各重現(xiàn)期的設(shè)計值，洪峰與各時段洪量分別采用不同的縮放倍比，采用同頻率法[6]推求設(shè)計洪水過程線。首先對洪峰的洪量進(jìn)行單位換算，然后經(jīng)分析選定典型洪水過程線，通過面積包圍法計算各時段洪量，從而推算各時段放大倍比K。K值的計算公式如下：

最大1日洪量的放大倍比K1為

最大3日洪量的放大倍比K3-1為

最大7日洪量的放大倍比K7-3為

洪峰的放大倍比KQ為

式中Qmd——典型洪水洪峰流量,m3/s；

Qmp——設(shè)計洪水洪峰流量,m3/s；

W1d——典型洪水最大1d洪量,106m3;

W1p——設(shè)計洪水最大1d洪量,106m3;

W3d、W3p、W7d、W7p以此類推。

縮放系數(shù)K值計算成果和斷面設(shè)計洪水線結(jié)果見表5(截取部分)。

表5 肯斯瓦特斷面設(shè)計洪水縮放系數(shù)(K值)計算

4 結(jié) 論

瑪河流域的防洪規(guī)劃洪水計算斷面高度參考了肯斯瓦特水文站的水文資料，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式和同頻率分析法求得了肯斯瓦特斷面設(shè)計洪水過程線，為瑪納斯河流的防洪規(guī)劃和工程設(shè)計提供了參考。主要成果體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：

a.通過提取肯斯瓦特水文站實(shí)測的斷面數(shù)據(jù)資料形成該河歷史洪峰流量，接著用數(shù)學(xué)方法算出斷面洪峰流量并建立了洪峰流量關(guān)系圖，最后將關(guān)系圖分組整理制成了分組別對照表。

b.通過同頻率放大法，得到放大頻率K值，在基于K值的基礎(chǔ)上得到肯斯瓦特斷面設(shè)計洪水過程線?，敿{斯河防洪是一個整體的、系統(tǒng)的工程體系，本次基于肯斯瓦特站的水文分析，為瑪納斯河防洪體系基本固化了工作基礎(chǔ)，對于實(shí)現(xiàn)防洪規(guī)劃的完整性具有重要意義。

c.設(shè)計洪水過程線大量運(yùn)用數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式和權(quán)威的算法進(jìn)行分析計算，水利工程設(shè)計規(guī)模的確定離不開設(shè)計洪水過程線，該工程在初期求得設(shè)計洪水過程線對整個工程具有非常重要 的意義。