胜金台水库除险加固设计洪水分析

肖 雄

（新疆维吾尔自治区吐鲁番水文勘测局，新疆 吐鲁番 838000）

0 引言

胜金台水库位于吐鲁番市胜金乡西南2.5 km处排孜瓦提村，南临312 国道,水库地处吐鲁番盆地中央隆起带的火焰山北翼，属低山丘陵地貌，海拔高程110 m～156 m，总体地势西北高南东低，该水库已运行10年以上，该区域无水文资料，因进行除险加固，需对水库的洪水进行分析。

1 概况

胜金台水库属山前河间洪积平原地下水溢出带，由泉水沟形成的天然洼地，地形为东北高西南低，洼地宽约0.3 km～1.0 km，该水库为人工拦河筑坝而成。水库于1959 年10 月修建，坝长350 m，坝顶高程101.00 m，正常蓄水位100.50 m，总库容118.66×104m3，属于小（Ⅰ）型灌注式水库，工程等别为Ⅳ等，设计防洪标准为30 年一遇，校核防洪标准为100 年一遇。该水库主要是拦蓄胜金台库区以上胜金乡排孜阿瓦提村的冬季闲水（泉水）,为缓解下游二堡乡、三堡乡多来年春季干旱缺水状况。该库为人工拦河筑坝而成，属典型的“三边”工程，现无任何施工图纸和资料，目前上游混凝土护坡存在不同程度的沉降，混凝土台阶因冻涨导致破坏；闸井闸启闭机螺杆损坏；水库库区淤积严重，致使水库兴利调节能力降低，严重影响了水库兴利库容发挥，不满足下游农业灌溉的用水要求。据地质勘察资料显示，水库大坝存在坝基渗漏与坝间渗漏，经专家评审，大坝安全评价为三类坝，属病险水库，必须除险加固。

2 水库水源分析

胜金台水库入库水属火焰山水系的山前溢出泉水，沿火焰山北缘分布。水库周边分布着数条坎儿井和泉眼，其中胜金乡排孜阿瓦提村1 #、2 #和排孜阿瓦提3 #的冬季闲水引入水库，水库上游泉水年平均流量为0.426 m3/s,年径流量为1343.434 万m3，其中年均入库水量为879×104m3。胜金台库区周边泉水多在上游0.1 km～3 km处出露，泉水经水库调节后穿过吐鲁番市著名风景区—火焰山进入下游二堡乡和三堡乡平原灌区。泉水沟形成的天然洼地周边土壤岩性以粘性土为主，局部土壤夹砂砾石，属中等透水～弱透水层。地下潜水由北向南径流，与地形倾向基本一致，库区地下水埋深3.50 m～6.00 m。水库周围有少量芦苇、农田和草甸。

3 暴雨成因及特性

胜金台水库区域紧靠火焰山，该区域降雨稀少，多年平均降水量16.6 mm，而蒸发量达2284 mm～3608 mm，夏季干燥酷热，冬季严寒多风，属极度干旱区。但当遭遇大尺度的天气过程时，所形成暴雨过程降水量大，雨区范围广，持续时间长，常常形成区域性暴雨洪水。中小尺度天气系统形成的暴雨，降水历时短，降水量集中，强度大，降水笼罩面积小，这类暴雨在局部区域时有发生。如1958 年8 月11 日、1960 年 6 月 18 日、1984 年 6 月 17 日、2006 年 7 月 4 日和2007 年8 月等几次大降水，大多是低涡系统影响所致。据调查，该区域平均每一年就发生一次较大暴雨降水过程，同时在戈壁荒漠区形成洪水，汇集后穿越胜金台乡村公路桥涵进入胜金台水库。

4 暴雨洪水分析

胜金台水库区域属无水文资料区域，本次分析计算仅有1984 年 3 月、2007 年 7 月 4 日、2008 年 2 月 21 日和 3 月 1 日吐鲁番水文局4 次调查的一些资料。其中包括一些调查访问资料。

4.1 历史洪水调查

经实地调查，进入胜金台水库洪水沟只有一条，洪水入库调查断面位置E89°38′34.5″，N42°56′25.5″。该洪沟位于胜金台乡村公路东北方向，洪水主要产自于胜金台以北铁路线以下63 km2的戈壁荒漠区。

4.2 设计暴雨洪水计算

因工程区域无暴雨和洪水资料，加之上游洪沟沟口至入库断面区域戈壁漫滩严重，人文活动影响较多，未能找到明显的洪水影子、洪水断面和洪水痕迹，无法正常进行洪水调查。

无资料区域根据周边水文资料条件采用不同的计算方法。在一般情况下，采取多种途径计算，综合分析论证和合理选用成果，本次洪水主要以洪峰模数法、调蓄经验单位线法和推理公式法推求水库上游洪水淹没区设计洪水成果，经几种方法比选后推荐最终确定胜金台水库入库设计洪水成果。

4.2.1 洪峰、洪量模数法

根据临近长系列站煤窑沟站洪峰流量和时段洪量为样本，基于安全考虑，采用以面积比指数因子修正的洪峰、洪量模数法估算胜金台水库设计洪水成果，结果见表1。

表1 胜金台水库以上区域设计洪水成果（洪峰模数法）

4.2.2 调蓄经验单位线法

胜金台水库上游只有苏伦沟和胜金乡雨量站2013 年～2017 年降水量和2017 年最大一次降水量资料，由于资料年限短缺，无法做频率计算。因此，本次用周边河流煤窑沟长系列站作为参证站。

（1）参证站最大1 日和最大24 小时设计雨量计算

用煤窑沟站1978 年～2018 年实测最大1 日和最大24 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（见表2）。频率曲线图见图1。

表2 煤窑沟最大1日和24小时降雨量频率计算成果表

图1 煤窑沟站最大1日和24小时点降水量频率曲线图

（2）胜金台水库以上区域最大24 小时设计点、面雨量计算

根据胜金台水库上游现有雨量资料显示，苏仑沟雨量站一次最大降水量为20.6 mm，胜金乡雨量站一次最大降水量为9.7 mm，该水库离胜金乡雨量站只有2 km，区域点降水量10 mm左右。

再根据1956 年～2010 年吐鲁番盆地降雨量等值线图查看，该水库区域也基本分布于10 mm～25 mm降雨量等值线区内，接近10 mm降水量等值线。

以《新疆可能最大暴雨图集》为依据查暴雨图集和周围气象站近几年实测雨量资料，水库上游中心多年平均24 h暴雨均值H24=10.0 mm。

因此，可以确定该水库上游最大24小时雨量平均值为10 mm。用煤窑沟站最大24 小时设计频率参数CV=0.7，CV/CS=4.0，计算胜金台水库区域点雨量设计暴雨成果，再根据《新疆短缺资料中小河流设计洪水计算应用方法》一书表5-2 点面降雨量折算系数参考表中吐哈地区折算系数1.263，可计算出面雨量设计值，结果见表3。

表3 胜金台水库以上区域点面降雨量设计值

（3）产流计算

以《新疆短缺资料中小河流设计洪水计算应用方法》一书表5-21 新疆各分区最大24 小时概化雨型分配比例表，见表4。

表4 吐哈片最大24小时概化雨型分配比例表

依据最大24 小时逐时雨量过程分配比，计算设计流域最大24 小时设计面雨量逐时分配。

（4）汇流计算

根据面雨量时程分配过程和胜金台水库以上面积91.7 km2，以此试算净雨总量、径流系数和洪峰流量、时段洪量和洪水过程，结果见表5。

表5 胜金台水库上游设计暴雨计算成果表

（5）洪水过程线的推求

先计算出各种频率产流期的平均净雨强度i净=R净/tc，因为在各种设计条件下的雨强较大，因此主净雨到峰现的时差tm可以近似等于0，则调蓄经验单位线法的涨洪时段为n-1，选择汇流计算时段Δt=2，便可求出调蓄经验单位线法的各种频率公比 b=（T0-0.5Δt）/（T0+0.5Δt）及首项退水比u1=1-b，进而推求退水公比为b的无穷递减等比级数。

计算出整个单位线的u值。将各Δt时段的净雨量换算成净雨流量Ii，I=FR/（3.6×Δt），其中R为Δt时段内净雨量，求出i净后乘以u值依次叠加便得出地面径流过程（基流等于0），同时推求出24 h洪量，见图2。

图2 胜金台水库设计洪水过程线图

4.2.3 推理公式法

根据《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 44-2006）及《水利水电设计洪水计算手册》等参考技术数据，并结合该流域下垫面条件，分别选用不同的参数，采用推理公式法，推算出胜金台水库设计洪峰流量。

集水面积91.7 km2、主河沟长度30 km，平均坡降67.3‰。

根据《新疆短缺资料中小河流设计洪水计算应用方法》一书推荐参数，吐哈地区点、面折算系数为1.263。

暴雨指数：为了准确确定暴雨递减指数，以周边煤窑沟站2012 年～2018 年实测降水摘录表，统计1 h、6 h和24 h雨量，经计算n1-6在 0.37～1.0 之间，n6-24在 0.66～0.98 之间，从地理位置来分析n1-6、n6-24暴雨递减指数与表5.4-6 中天山南坡西段n1-6、n6-24递减指数基本吻合，因此，本次以煤窑沟站实测资料计算的n6-24均值0.78 作为胜金台水库以上区域暴雨递减指数。

土壤损失系数R和土壤损失指数r分别为0.9 和0.62；下垫面类型为3 类。

式中：QMP为设计洪峰流量，ms/s；Sp为设计雨量，mm/h；τ为流域汇流历时，h：α为洪峰径流系数；F为流域面积，km2；0.278 为单位换算系数。

采用推理公式法计算成果见表6。洪水过程线和时段洪水总量分别按五边形法估算,见表6、图3。

表6 胜金台水库设计洪峰流量成果表（推理公式法）

图3 胜金台水库设计洪水过程线图（五边形法）

通过以上几种方法计算比较可以看出，成果相差比较大，分析原因：

（1）胜金台水库是泉水注入为主，其水库上游与煤窑沟站集水面积相差较大、洪水特性也有所不同，由于水库上游受人文影响无法找到洪水痕迹，据了解前几年当地也发生过降雨入库（水库未受灾）。

（2）调蓄经验法和推理公式法较多参数需确定且无实测资料，各种参数存在不确定性。

调蓄经验法是无水文资料的中小流域设计洪水一种适用的方法，要通过图表查算、产流试算、汇流计算来完成，计算较为繁杂，且存在图表查算缺乏唯一性的缺憾（时段洪量只算1 日和3 日）。

推理公式法选用相邻流域参证站—煤窑沟站的最大1 日、最大24 小时降水量和暴雨图集资料进行设计流域的洪水计算，资料系列可靠，代表性较好，在暴雨递减指数、土壤损失等参数的选用上，主要参考设计洪水计算常用方法中提供的试验数据（时段洪量只算1 日）。

综合考虑，推荐采用调蓄经验法设计成果，作为胜金台水库入库设计洪水。成果见表7。

表7 胜金台水库入库设计洪水成果（最终）

5 结语

胜金台水库入库水源主要是泉水和冬闲时的坎儿井水、自流井水。本流域无水文、气象资料，为了水库除险加固需要，本次分析充分利用了本区域以及以往收集到的实测水文资料，并结合洪水调查，对洪水采用推理公式法和调蓄经验法进行了计算，从安全角度出发，推荐采用调蓄经验法进行计算。