李 江,郭春红,岳春芳

(1.新疆水利水电规划设计管理局,新疆 乌鲁木齐市 830000； 2.新疆农业大学土木与水利学院，新疆 乌鲁木齐市 830052)

进入21世纪以来，新疆水库建设发展迅速，尤其是中型水库建设，其投资相对较少、建设难度较小、资金来源多样、发挥效益较快，“十五”以来规划了百余座中型水库。但受历史条件的限制，新疆很多中小河流未设置专用的水文观测站，部分纳入规划的河流在开展前期工作时才开始设站进行观测，相对大江大河而言，水文资料严重缺乏，存在洪水、径流、泥沙预测不准的问题，直接影响到工程规模的分析确定。从60多年的建坝历程来看，工程水文分析经历了从无到有、从少到多、从粗到精的发展阶段，在设计径流、洪水、泥沙计算分析上积累了丰富的设计经验，为干旱区水库建设提供了重要的技术支撑。研究工程所在河流长时期的水文变化情势[1]，提出作为工程设计依据的水文特性参数，一方面要避免出现水文数据预测偏大，造成水库规模过大，蓄水达不到设计库容，造成投资浪费等现象；另一方面也要避免出现水文数据预测偏小，造成水库库容偏小，调控不力，可能出现溃坝等洪水危害现象[2- 3]。

1 河流基本概况

新疆绝大部分河流属于内陆河流域。流域以河流出山口为界，将其划分为径流形成区和径流散失区。出山口以上的山区，河网密度大，降水量大，集流迅速，引水量少，从河源到山口水量逐渐增加，是径流形成区。河流出山后，流经冲积扇和冲积平原，部分水量渗漏，由地表水转为地下水，部分引入灌区。河流出山口后降水少，蒸发大，是径流散失区，只有少数水量较丰的河流才能流到盆地内部，潴水成湖，而大部份河流出山口后，水量引入灌区，消耗于灌溉、渗漏和蒸发[4]。

以流出山口处的河流条数进行统计，全疆共有大小河流570条(未计发源于前山带的洪沟)，其中北疆387条，南疆183条。在570条河流中，大部分是流程短、水量小的河流，年径流量在1亿m3以下的河流就有487条，其年径流量仅有82.9亿m3，占年总径流量的9.4%；年径流量大于10亿m3以上的河流18条，但径流量却达525.73亿m3，占年总径流量的59.8%。1亿～10亿m3的河流有65条，其年径流量仅有270.4亿m3，占年总径流量的30.8%。

新疆在历史不同时期建有各类水文站约320余处，20世纪90年代一大批水文站被裁撤或改为巡测，目前仅保留190余处，平均约8600km2一个水文站，主要集中在大中型和重要的小型河流上，其中106处水文站具有30年以上资料，16处有1956年至今实测连续资料。

大多数中型水库主要分布在1亿～10亿m3的河流上。其主要特点是多数河流径流年际变化相对较小，但年内分配极不均匀，河流泥沙含量大，如和田地区的尼雅河[5]连续最大四个月水量可占到全年的90.6%，多年平均含沙量达13.4kg/m3，伊犁州切德克苏河实测年最大含沙量1270kg/m3(2002年7月)，河流实测水文资料条件较差，已建中型水库所在河流有长系列实测水文资料的不到一半，部分仅有短期实测资料，库容系数多在0.15～0.3之间，最小的如齐古水库(反调节水库)仅0.04，最大的奴尔水利枢纽0.4左右。部分典型中型水库水文特性见表1。

表1 典型中型水库水文特性参数

2 中型水库建设中的工程水文计算分析

水文分析中的径流、洪水和泥沙关乎坝工设计中的工程设计规模和具体设计方案[6- 7]。基本资料是水文计算的基础，特别是设计依据站(指位于工程场址或上下游为工程水文计算提供水文数据的水文站)和主要参证站的实测水文资料。针对新疆国土面积大、河流众多、水文站网分布稀疏、实测系列短的特点，根据实测水文资料条件归纳为无实测水文资料、有短期实测水文(水管)资料和有长系列实测水文资料三种情况。

根据2013年新颁布的水利水电工程项目建议书、可行性研究和初步设计三阶段的编制规程对水文计算的内容和工作深度的要求，在项目建议书阶段应基本确定设计径流、设计洪水和泥沙设计成果；在可行性研究阶段应确定设计径流、设计洪水、泥沙成果，在初步设计阶段应进一步复核设计径流、设计洪水、泥沙设计成果。

SL 278—2002《水利水电工程水文计算规范》规定了该规范适用于大中型水利水电工程可行性研究和初步设计阶段的水文计算，大中型水利水电工程项目建议书阶段和小型水利水电工程及江河流域规划的水文计算可参照执行。

SL 44—2006《水利水电工程设计洪水计算规范》规定了该规范适用于大中型水利水电工程各阶段的设计洪水计算和运行期设计洪水复核，小型水利水电工程及江河流域规划的设计洪水计算可参照执行。

3 设计径流计算分析

SL 278—2002规定：①坝址或其上、下游邻近地点具有30年以上实测和插补延长径流系列资料，可直接采用频率分析法计算设计依据站设计径流成果；②工程所在流域内径流资料均短缺时，采用水文比拟法、地区综合等方法分析确定。

3.1 无实测径流资料河流

新疆多数中小河流存在无实测水文资料情况，进行工程水文计算时，首先需要分析河流径流形成机制，充分收集相邻、相近，径流形成相似的河流且参证站具有长系列实测径流资料(30年以上，或通过插补延长可达到30年以上)及区域水资源评价径流深等值线成果等资料。目前，在此类河流工程设计实践中较多采用的主要方法：①径流深等值线法；②面积比拟法；③参证站实测径流、面积、高程相关法等推求场址多年平均年径流量，根据参证站长系列年径流统计参数推求设计年径流成果，再根据参证站实测典型年内过程推求设计年内分配成果[8]。几种推求多年平均年径流量的方法中，方法③工作量较大。在具体工程设计实践中应注意以下问题：

(1)由于新疆河流径流的形成主要是依靠山区径流形成区产流，与高程关系密切，受地形影响较大，而区域水资源评价径流深等值线主要是解决区域水资源量问题，受工作量等限制，在径流深等值线的绘制过程中可能会产生与局部地形不匹配现象，特别是在中低山部分，而新疆大多中小河流主要产流区恰分布在该区域，一些河流根据径流深等值线量算的水量明显与实际不符，对出现这种情况的河流建议采用参证站实测径流、面积、高程相关法[9]。

(2)采用面积比拟法(径流模数法)，应充分考虑流域的相似性，特别是流域高程，否则将出现与流域高程较高的流域比拟水量会偏大，反则偏小，该法初估水量可以(或采用流域平均高程订正)，除非能说明两流域的一致性，一般在工程设计中不建议采用该方法。

(3)采用参证站实测径流、面积、高程相关法时，应首先对参证站的选取进行充分论证，对高程间距的划分不宜过大，为避免人为因素，区间径流深应等分增长，起始值可参考区域径流深等值线图成果(不宜直接移用)，可以参证站实测多年平均年径流量、径流系数为控制，逐步试算区间等分值及初始值，通过统筹高值区及参证站实测径流系数等合理性分析，最终用于水量计算。

(4)针对无实测径流资料河流采用理论方法推求的水量存在不确定性，应建议开展实测工作，并根据实测资料进一步复核设计成果。

3.2 有短期实测径流资料

新疆很多河流在不同历史时期曾有过短期水文(或水管)实测径流资料，可以作为设计依据站，目前，在此类河流工程设计实践中较多采用的方法是根据参证站长系列实测径流资料，采用长短系列订正法推求依据站多年平均年径流量，若工程场址与设计依据站的集水面积相差不超过15%，且区间降水、下垫面条件与设计依据站以上流域相似时，可按面积比推算工程场址的径流量；若两者集水面积相差超过15%时，采用径流深等值线量算区间水量，进而推求工程场址多年平均年径流量，根据参证站长系列年径流统计参数推求设计年径流成果，再根据设计依据站或参证站实测典型年内过程推求设计年内分配成果，若依据站有较长短期实测资料，且与参证站年径流相关关系较好，可为工程设计提供长系列径流。在具体工程设计实践中应注意以下问题：

(1)依据站采用长短系列订正法推求多年平均年径流量，其理论基础是假定参证站与设计依据站的径流年际变化同步和一致，因此，应充分进行两站“三性”分析评价。

(2)对根据参证站推求的长系列年内成果，应根据设计依据站实测年内过程进行一致性检查，若差异较大应进行修正。

(3)由于水管资料主要侧重灌区引水观测，对河道的水量观测相对较差，应对其资料的可靠性进行分析评价。

(4)设计依据站以上有较大引水和用水时应进行还原分析计算。

3.3 有长系列实测径流资料

新疆重要的大中型河流上基本不同历史时期先后均建有国家基本水文站，且资料系列多数可达30年以上(或通过插补延长)，可直接采用PⅢ型曲线计算设计依据站年径流设计成果[10]。在具体实践中应注意以下问题：

(1)设计依据站与工程场址区间径流的分析计算，特别是若工程场址与设计依据站的集水面积相差超过15%，应进行综合分析，包括上游引水、用水的还原。

(2)有些河流设计依据站并未设置在出山口，而是位于径流散失区的冲洪积区，如昆仑山北坡的车尔臣河、尼雅河、克里雅河等，对此类河流设计依据站实测资料不宜简单直接引用，应根据上下游同期河道径流实测资料进行还原分析计算。

(3)进入20世纪90年代，有些河流由于种种原因撤站或改为巡测，而2000年前后新疆多数河流进入相对丰水期，对系列的代表性影响较大，对此，不宜简单仅以满足30年以上系列衡量，应对资料及系列进行综合分析。

4 设计洪水计算分析

设计洪水是设计洪峰流量、设计时段洪量和设计洪水过程线的统称，涉及坝工设计中坝工自身安全、工程布置设计方案、下游防洪保护对象的安全，是坝工设计的主要依据。就同一个工程而言，不同的设计阶段，设计洪水计算的内容基本相同，但由于资料条件、工作周期、经费等方面的不同，各设计阶段的设计洪水计算要求的工作深度不尽相同。

新疆的河流主要为内陆性河流，以中小型河流居多。新疆水文站网的布设密度较小，有相当多的河流与河段没有水文站分布，水文站的水文观测资料年限普遍较短，有相当多的河流水文观测系列不连续，难以直接采用频率分析法计算设计洪水。当有关工程场址的洪水系列需要插补延长时，常常存在寻找参证站困难的局面。

4.1 无实测洪水资料和资料短缺河流

多数中小河流存在无实测洪水资料情况，根据参证站设计洪水成果和坝址历史洪水调查评价成果较多，采用地区综合法、洪水模数法及水文比拟法以及根据设计暴雨推求设计洪峰流量和设计时段洪量。根据参证站实测典型洪水过程线，采用同频率或同倍放大法推求设计洪水过程线[11- 12]。

洪水与径流不同，具有很强的随机性，特别是年最大洪峰流量，对实测资料短缺(实测资料系列较短)而言，一是可根据短期实测时段洪量，采用长短系列订正法推求均值，再采用地区综合法(综合频率曲线法)推求设计时段洪量;二是可以充分利用本河实测洪水过程线推求设计洪水过程线。在具体工程设计实践中应注意以下问题：

(1)多数工程设计实践采用的是根据能代表区域洪水统计参数规律和线型的参证站的洪峰流量(时段洪量)模比系数地区综合频率曲线[13]，统计出不同频率模比系数，通过历史洪水调查评价成果的调查洪峰流量(时段洪量)及洪水重现期，确定系列均值，再推求相应设计洪峰流量(时段洪量)成果；该方法的关键：①综合频率曲线应具有区域较好的代表性，参证站的选择应进行充分论证，且各参证站应充分利用历史洪水调查成果;②工程场址的历史洪水调查评价成果的可靠性。

(2)新疆的历史洪水调查工作，在初期基本上与内地同步，后因故未能汇总刊印，有关的历史调查资料成果，多散布于各地州水文水资源勘测局，有部分资料散失。因此，有关工程设计所需要的历史洪水资料，需设计单位在工程设计期间到现场开展洪水调查，予以补充。开展工程场址历史洪水调查工作时，关键的问题在于历史洪水重现期的论证；新疆已建或拟建的中型水库工程，主要分布在河流出山口以上区域，多为传统的牧业区域，地广人稀，人口流动大，定居者少，普遍存在可追溯期短、无人指认现场洪痕、难以印证等问题，从而导致历史洪水调查成果的精度不高。历史洪水调查的基本思路：①在上游确保调查地点，尽量使调查河段与工程地点相接近，在河床稳定的河段进行历史洪水痕迹查勘，采用实际调查的历史洪水水面线、纵横断面资料，对相应洪水量值进行分析计算；②在下游人口密集的农业定居区域进行访问调查，获取有关历史史料与古籍文献资料，再利用历史洪水可能发生编年表等手段分析历史洪水的发生年份；③根据历史洪水的量值规模、相应的历史洪水发生年份组，利用实测资料在频率曲线图上进行初步分析，确定历史洪水的发生年份与洪水量级[14]。

(3)根据参证站设计洪水成果，采用洪水模数法及水文比拟法属于理论计算，关键是参证站的选取，参证流域的相似性直接影响设计成果的安全性，在项目可行性研究阶段须根据历史洪水调查进一步复核设计成果，但容易出现两阶段成果差异较大的问题。不同设计阶段之间，设计洪水成果如若发生重大变化，往往造成设计洪水位、校核洪水位以及泄洪建筑物规模的变更，产生的影响往往难以估量。

(4)采用理论方法推求的设计时段洪量有些工程明显偏大，特别是采用参证站实测峰量关系或依据站短期实测资料进行插补外延时，如在水库校核标准下，某一时段洪量成果远超其多年平均年径流量，而根据对新疆有长系列实测洪水资料的中小河流水文站的实测时段洪量统计，无一水文站出现该现象，可采用此法衡量设计成果是否偏大。因此，一般建议在工程场址历史洪水调查中应尽可能开展时段洪量的调查。

(5)新疆水文站网密度较小，有相当多的小河流没有洪水流量观测记录，难以采用频率分析法计算设计洪水。水文站通常具有雨量观测资料，再加上气象部门的雨量观测资料，故新疆的雨量观测资料比流量资料要丰富，有利于采用设计暴雨推算工程场址的设计洪水。因此，在新疆有相当多中型工程的设计洪水是通过设计暴雨洪水计算途径所获得。采用推理公式推算设计暴雨洪水，因存在参数选择障碍，暴雨设计洪水成果的精度难以评判。应通过调查的方式合理确定流域汇流参数类别、土壤损失参数类别、暴雨衰减指数等的参数组合，然后再进行各频率暴雨的设计洪水计算。

(6)在已建水库上游新建水库工程时，应根据新的资料条件对原水库设计洪水成果进行复核，开展洪水地区组成分析，对下游水库进行洪水安全性评价。鉴于洪水资料条件，水文专业应对水库设计校核标准的确定提出评价建议。应按规范对设计洪水成果进行合理性和安全性综合评价，论证对校核标准进行安全修正的必要性。

4.2 有长系列实测洪水资料河流

规范规定，坝址或其上、下游邻近地点具有30年以上实测和插补延长洪水流量资料，并有调查历史洪水时，应采用频率分析法计算设计洪水。设计洪水频率计算有两种方法：分析法和适线法。

在具体工程设计实践中，设计依据站直接采用设计洪水频率计算，工程场址断面设计洪水的分析计算方法有：①根据依据站设计洪水成果，常采用面积指数法推求设计洪峰流量，采用洪量模数法推求设计时段洪量；②根据工程场址历史洪水调查分析评价成果，采用洪峰流量(时段洪量)模比系数地区综合频率曲线或直接根据依据站长系列统计参数推求设计洪水成果；③根据依据站实测典型洪水过程线，采用同频率或同倍比放大法推求设计洪水过程线。在具体工程设计实践中应注意以下问题：

(1)虽然一些河流具有满足规范规定的30年以上实测和插补延长洪水流量资料，但新疆多数河流水文站较早的也只是20世纪50年代中后期，历史洪水调查成果的洪水重现期也只有极少数河流可达100年以上，样本系列的代表性有限，加之新疆地域广大，复杂的地形地貌的下垫面条件，造成了新疆洪水成因的多样化和复杂性。2016年8月新疆阿勒泰地区大青河和昌吉州阜康白杨河均发生了历史特大洪水，两河水库入库实测及调查的最大洪峰流量均超过水库原设计校核设计洪峰流量(大青河喀英德布拉克水库属在建，白杨河水库属已建，两水库均为中型水库，校核标准为2000年一遇)；大青河水文站1957年建站观测至今，白杨河水文站1963年建站观测至今，经事后洪水调查，主要为上游暴雨型洪水与堰塞湖溃坝型洪水叠加形成，将该场洪水加入后与原设计成果对比增幅几乎翻番，在开都河上游已建运行的察汗乌苏水库电站工程(大型水库)也发生了同样的情况。因此，除应按规范对设计洪水成果进行合理性和安全性综合评价，论证对校核标准进行安全修正的必要性外，针对新疆河流的这一特点，应首先充分利用遥感资料进行排查，若存在堰塞湖条件，则应进一步开展野外勘察，通过调查确定工程以上流域现存的堰塞湖数量、分布情况及容积等，估算其溃决洪水。

(2)新疆中型水库多在中型以上河流，流域集水面积相对较大，在设计依据站与坝址之间多存区间洪水，须进行洪水地区组成分析；洪水地区组成分析的基本要点，是先确定下游防洪设计断面(控制断面)的位置、防洪标准，再确定防洪设计断面上游水库工程的可控区间与无控区间，然后分析有控区间与无控区间的洪水地区组合关系。当上游有多个水库形成水库群时，可按前面原则化繁为简，再拟定新的控制断面，对水库群进行可控与无控区间分区划分，如乌鲁木齐河、头屯河等。

推求设计断面受上游水库调蓄影响的设计洪水的方法有三类，即地区组成法、频率组合法、随机模拟法。在新疆工程设计中，通常采用地区组成法进行洪水地区组成分析计算，推算成果主要为各分区的设计洪水过程线。地区组成法又分为典型年法、同频率地区组成法、相关法等三种子方法。其中，典型年法，方法简单成果较粗；同频率地区组成法的精度相对较高。在洪水地区组成分析中，应统计各分区洪水峰、量系列，推算分区设计洪水，注意分析各分区的峰量关系、洪水遭遇规律，研究洪水组合方式。

(3)在新疆很多中小河流设计依据站位置偏低，位于出山口后的冲洪积扇径流和洪水散失区，如奴尔河、克里雅河等，开展工程设计时，应充分重视设计依据站的洪水还原问题。

(4)应按规范要求开展历史洪水调查工作。

5 泥沙计算分析

河流泥沙是反映流域水土流失和河川径流质量的重要指标，它对水库及各种水工建筑物的正常运行有很大影响。新疆南疆河流含沙量普遍较大，北疆河流含沙量较小。河流悬移质含沙量介于0.05～13kg/m3之间，区域分布具有一定的纬度地带性规律，即河流悬移质含沙量自北向南增大[15]。

阿尔泰山区、伊犁河流域及准噶尔西部诸河，山区植被条件较好，流域抗侵蚀能力较强，河流含沙量较小，介于0.02～1.5kg/m3之间。天山南坡的开都河流域广泛发育着古老而坚硬的花岗岩，上游段山地植被覆盖率高，沼泽发育，在海拔2000m左右的中低山地带，阴坡有松林，河谷底生长杂木林，在其调节作用下，河流含沙量较小，其值在0.20～1.00kg/m3之间。天山北坡诸河及天山东部河流含沙量在0.30～3.00kg/m3之间。天山南坡库玛拉克河至迪那河区间河流含沙量普遍较大，其值在2.00～8.00kg/m3之间。昆仑山和阿尔金山北坡地表物理风化、植被稀疏，流域抗侵蚀能力弱，是新疆河流含沙量最大的地区，如尼雅河的尼雅站实测多年平均含沙量为13.4kg/m3，卡墙河的且末站实测多年平均含沙量为12.5kg/m3。另外，较大或特大暴雨洪水具有在短时期内含沙量剧增的特点，如提孜那甫河的玉孜门勒克站1989年的年最大含沙量达1090kg/m3，伊犁切德克苏河水文站2002年7月实测年最大含沙量达1210kg/m3，喀拉喀什河的乌鲁瓦提站1978年最大含沙量达401kg/m3。

各河输沙量的年际变化差异很大，变化规律与河川径流量相似，但年际变幅远大于径流。河流年输沙量极值比(历年最大年输沙量与历年最小年输沙量之比值)介于3.8～480之间；年输沙量Cv值介于0.31～1.81之间。据实测资料统计，阿拉沟河极值比可达479，准噶尔西部的卡琅古尔河极值比可达175，天山南坡的黄水沟极值比达178，Cv值分别为1.65、1.81、2.09，是输沙量较大的三条河流。伊犁河和库马拉克河悬移质输沙量极值比分别为3.80和3.99；Cv值分别为0.32、0.31，是输沙量年际变化相对较小的河流。

新疆河流悬移质输沙量的年内分配极不均匀。连续最大四个月输沙量主要集中于4—9月，多年平均最大四个月输沙量占年输沙量的76.2～99.3%。部分河流最大一个月悬移质输沙量占到年输沙量的60%以上。

新疆国土面积大，水文站分布稀疏，并非都进行泥沙测验，或相对降水、水位、流量，泥沙系列较短、精度较差。新疆共有悬移质泥沙观测点166处，有10年以上资料的约51.8%，具有20年以上资料的仅约22.9%。

SL 278—2002规定，设计依据站具有20年以上(或经插补延长)、且具有一定代表性可直接统计泥沙特征值，有短期实测悬移质泥沙资料，可采用类比法估算，无实测悬移质泥沙资料时，可采用经主管部门审批的输沙模数图估算，或采用遥感分析法估算。

对于设计依据站具有20年以上(或经插补延长)实测悬移质泥沙资料的，经与径流相应短系列分析评价泥沙系列代表性后，根据统计的多年平均悬移质含沙量和输沙模数，采用水沙关系或输沙模数法推求坝址多年平均悬移质输沙量。

对于设计依据站有短期实测悬移质泥沙资料的，一般根据相似流域参证站长系列实测资料，采用长短系列订正法推求多年平均悬移质含沙量。

对于无实测悬移质泥沙资料河流，一般采用相邻、相近、相似流域具有长系列悬移质泥沙系列资料的参证站悬移质泥沙设计成果，采用水沙关系或输沙模数法推求坝址多年平均悬移质输沙量；有些河流可通过其已建水库工程的泥沙淤积测量资料推求悬移质输沙量。

相比悬移质推移质实测资料更少，一般根据悬移质泥沙设计成果，多采用推悬比推求推移质输沙量，推悬比取值一般在0.1～0.30之间。在具体工程设计实践中应注意以下问题：

(1)对于有短期或无实测悬移质泥沙资料河流，参证流域参证站的选择至关重要，应充分收集两流域相关资料进行充分论证。

(2)采用参证站悬移质输沙模数法计算时，应分析两流域面积比与水量比，如出现倒置情况，建议采用水沙关系推求。

(3)推悬比的选取应根据河流特性及河床表象等综合分析论证。

(4)编规要求泥沙问题严重的的工程，应提出悬移质泥沙颗粒级配曲线、平均或中值粒径、矿物质成分等资料。

6 结语

新疆是水资源匮乏的干旱区，修建水库调蓄来水是控制调配水资源的重要途径，已建、在建650余座水库发挥了巨大的作用，其中150余座中型水库成为山区中小河流调控及平原区灌溉调蓄的重要手段。工程水文计算分析研究的设计径流、洪水、泥沙是进行水库工程设计的基础依据，直接关系到水利工程的经济、效益和安全。科学准确的进行工程水文计算对水利工程规划设计和运行管理起着基础保障作用。根据新疆中小河流普遍缺乏长系列实测资料的现状，建设者们集思广益，总结了南北疆不同区域的径流、洪水、泥沙特性和规律，提出了较为实用且符合实际的计算方法，可供类似工程设计参考。