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        新建青新鐵路若羌至庫爾勒段小流域暴雨參數(shù)確定方法

        2013-02-02 06:54:40
        鐵道建筑 2013年5期
        關(guān)鍵詞:雨量設(shè)計院水文

        張 宇

        (中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司新疆鐵道勘察設(shè)計院橋隧分處,新疆烏魯木齊 830011)

        新建青新鐵路若羌至庫爾勒段小流域暴雨參數(shù)確定方法

        張 宇

        (中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司新疆鐵道勘察設(shè)計院橋隧分處,新疆烏魯木齊 830011)

        新建青新鐵路若羌至庫爾勒段沿線水文觀測站點(diǎn)少,建站時間短,數(shù)據(jù)不完善,給水文計算帶來一定困難。選取青新線若庫段距線路約3 km的鐵干里克氣象站1957年—2010年日最大降雨量進(jìn)行暴雨頻率計算,結(jié)合西北地區(qū)水文統(tǒng)計經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過適線分析推求設(shè)計日暴雨量。本文確定的小流域暴雨參數(shù)依據(jù)的雨量序列資料截至2010年,較由80年代編寫《壹橋8216》時所依據(jù)的資料增加近30年,計算的暴雨參數(shù)較由《壹橋8216》中的暴雨等值線圖查得的數(shù)據(jù)大25%。

        青新鐵路 小流域 暴雨參數(shù) 水文頻率計算

        1 青新線若庫段概況

        青新鐵路若羌至庫爾勒段(以下簡稱青新線若庫段)位于新疆維吾爾自治區(qū)東南部,地處新疆巴音郭楞蒙古族自治州境內(nèi)。若庫段南起塔里木盆地南緣若羌縣,北至塔里木盆地北緣庫爾勒市,主要經(jīng)過塔里木盆地邊緣及腹地。塔里木盆地位于天山、昆侖山和阿爾金山之間,為我國最大的內(nèi)陸盆地,是大型封閉性山間盆地,印度洋和西太平洋暖濕氣流難以進(jìn)入,降水量小,夏季炎熱少雨,冬季異常寒冷。

        1.1 地區(qū)氣候、降水

        1)氣候。若庫段線路位于塔里木盆地東南部,屬典型的大陸性干旱氣候區(qū),為暖溫帶干旱南疆區(qū)。冬夏長,春秋短促。冬季嚴(yán)寒漫長而少雪,春秋季干旱多風(fēng)沙,夏季炎熱,晝夜溫差大,日照豐富,降水少而集中且不均勻,蒸發(fā)強(qiáng)烈,氣候干旱多風(fēng)沙。若庫段區(qū)域內(nèi)年平均氣溫為2.9℃ ~12.5℃,極端最高氣溫為32℃~44.3℃,極端最低氣溫 -23.1℃ ~-34.3℃。年平均降水量為21.3~54.1 mm,年最大降雨量為69.7~117.0 mm,年平均蒸發(fā)量2 033.3~2 900.0 mm,年最大蒸發(fā)量2 455.1~3 300.0 mm。年均風(fēng)速為1.4~3.2 m/s,年平均大風(fēng)日數(shù)(≥8級)9~43 d,最大定時風(fēng)速13.3~26.0 m/s,最大瞬時風(fēng)速 22.7~32.7 m/s,最大積雪厚度4~18 cm。

        2)降水。線路沿線各段降水差異較大,總的分布特點(diǎn)是:北部多,南部少;山區(qū)多,平原少,盆地沙漠更少;山區(qū)迎風(fēng)坡多,背風(fēng)坡少;天山山區(qū)多,阿爾金山少。塔里木盆地降水量北部一般在50~70 mm,南部一般在15~30 mm,降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,空氣十分干燥。降水冬季多為降雪,夏季多為降雨,春秋季雨雪混合,因此,本地區(qū)河流均以雨雪混合型為主。

        由于新疆地域廣闊,降水現(xiàn)象復(fù)雜,水文觀測站點(diǎn)分布稀少,建站時間短,且數(shù)據(jù)不完善,觀測范圍難以完全覆蓋本地區(qū),同時,觀測值不一定代表暴雨中心降水量,特別是山區(qū)和盆地中央地帶,觀測值往往偏小,給水文分析帶來一定困難。

        1.2 暴雨區(qū)域劃分

        若庫段由南向北橫穿塔里木盆地,沿線根據(jù)其地形、地貌、水文、氣候等因素暴雨區(qū)域又可劃分為塔里木河沖積平原區(qū)、庫魯塔格山前洪積扇、庫魯塔格山山區(qū)。

        1)塔里木河沖積平原區(qū)。主要位于本線的若羌至尉犁段,地形平坦,地勢開闊略有起伏,地勢南高北低,自然坡度2‰~5‰,海拔高程800~8 890 m。若庫段在東、西部分別有庫魯塔克沙漠和塔克拉瑪干沙漠,僅以沿塔里木河兩岸狹窄綠地帶隔開,帶寬為1~3 km,局部伴生有沙丘、沙地,植被稀疏不均。

        2)庫魯塔格山前洪積扇。主要位于本線的尉犁至庫爾勒段,地形平坦,地勢開闊略有起伏,地勢北高南低,海拔950~1 010 m,相對高差5~20 m,自然坡度2‰~5‰,植被稀疏不均,沿線為戈壁礫漠地貌,局部地段分布有風(fēng)積沙。

        3)庫魯塔格山山區(qū)。主要位于本線的尉犁至庫爾勒段,庫魯塔格山為天山的一個分支,位于焉耆盆地和孔雀河谷地之間,東西長超過400 km,南北寬約40~60 km,地勢西高東低,包括兩組山地,北部山地一般高1 500~2 500 m,最高峰西大山海拔2 782 m;南部山地為短小山脊,如興地山,海拔高度在2 000 m以下。兩組山地向東均為海拔1 100~1 300 m的低山丘陵所替代。整個山體飽經(jīng)剝蝕,使得山勢平緩,分水嶺圓緩低矮,沖溝切割不深,基巖裸露,山體表面的基巖物理風(fēng)化強(qiáng)烈,裸露基巖多為碎石狀,局部地勢較為陡峻。山間凹地、溝谷較發(fā)育,植被主要為梭梭,地表植被覆蓋度一般為15%~30%。區(qū)內(nèi)山峰無常年積雪,除興地河外無常年流水。

        2 青新線若庫段小流域暴雨計算

        2.1 暴雨參數(shù)選擇與計算方法

        2.1.1 雨量資料的收集與選樣

        對線路通過地段,收集該區(qū)域內(nèi)的水文站、氣象站的自記雨量和定時觀測的雨量資料,充分了解該地區(qū)的暴雨特性、成因、暴雨路徑等水文氣象特征,以便對該地區(qū)暴雨參數(shù)的定性、定量分析提供依據(jù)。

        將收集到的雨量資料經(jīng)分析、篩選后,整理出統(tǒng)計樣本,常用的選樣方法有兩種:

        1)年最大值法。在每個站,每一年內(nèi)根據(jù)所要求的不同時段,選取各時段的年最大值,組成一個n年系列統(tǒng)計樣本。

        2)超定量法。凡每站年內(nèi)時段雨量超過一定量級時都選取。

        2.1.2 統(tǒng)計參數(shù)分析

        統(tǒng)計參數(shù)分析按年最大值法,挑選歷年各時段(10~1 440 min)最大降雨量組成一個樣本系列,用數(shù)理統(tǒng)計方法,并將頻率曲線外延,推求各個時段指定頻率的暴雨強(qiáng)度。

        經(jīng)驗(yàn)頻率估算:將歷年各時段雨量按大小順序排列,按下列公式計算樣本系列的經(jīng)驗(yàn)頻率

        式中,P為等于或大于某一量級雨量的經(jīng)驗(yàn)頻率,m為等于或大于某一量級雨量的出現(xiàn)次數(shù),n為系列長度。

        樣本系列的統(tǒng)計特征參數(shù)計算公式為

        式中:Hp為系列中雨量均值;Hi為系列中一般年份的雨量值;n為實(shí)測系列總年份;σ為標(biāo)準(zhǔn)差;Cv為變異系數(shù);Cs為偏差系數(shù);Ki=Hi/Hp,為模比系數(shù)。

        2.1.3 經(jīng)驗(yàn)頻率曲線繪制

        在普通直角坐標(biāo)方格紙上,點(diǎn)繪經(jīng)驗(yàn)頻率曲線呈S形,曲線上部急劇上升或下部急趨下降,將曲線外延尋找較小頻率流量時,任意性較大,而曲線外延值正是設(shè)計需要的重要數(shù)據(jù),為改善曲線外延值準(zhǔn)確性,應(yīng)使用海森機(jī)率格紙。在海森機(jī)率格紙上,以日最大降雨量為縱坐標(biāo),以經(jīng)驗(yàn)頻率為橫坐標(biāo),點(diǎn)繪出各經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù)。頻率曲線一般選用皮爾遜Ⅲ型曲線作為適線和外延曲線。

        2.1.4 Cs和Cv關(guān)系確定

        利用式(4)計算Cs時,必須有百年以上的樣本,才能獲得較滿意的結(jié)果。實(shí)際工作中很難有百年以上的樣本,故采用Cs為Cv某一倍的數(shù)值,再通過適線加以確定。在西北地區(qū),通過經(jīng)驗(yàn)及曲線適配,當(dāng)Cs=3.5Cv時較為合理。

        2.1.5 Cv取值

        對于統(tǒng)計樣本系列中特大值Cvn的判定標(biāo)準(zhǔn),在西北地區(qū)判定方法為:Cvn≥0.35,Hmax/Hp>[0.6+(2.9+0.05n)Cvn],其中Hmax為系列中最大雨量,凡同時符合上述條件者,即按最大值處理。

        2.2 青新線若庫段暴雨計算

        鐵干里克氣象站位于北緯40.63°,東經(jīng)87.7°,距離線路右側(cè)約3 km。通過對鐵干里克氣象站日最大降水量的統(tǒng)計和計算,所確定的百年一遇暴雨參數(shù),對于本線若羌至尉犁段具有較強(qiáng)的代表性。

        1)首先將收集到的雨量資料經(jīng)分析、篩選后,整理出統(tǒng)計樣本。

        2)利用式(1),計算出經(jīng)驗(yàn)頻率P。本文收集了鐵干里克氣象站自1957年—2010年的日最大降水量資料,根據(jù)此資料進(jìn)行統(tǒng)計。分析結(jié)果見表1。

        3)根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)計算得:Hp=11.91 mm;σ=8.1 mm;Cv=0.676 9;Cs=3.5Cv。

        4)適線分析結(jié)果見圖1。經(jīng)試算,采用Cv=0.68,Cs=3.5Cv較為合理。通過查《橋渡水文》手冊,可確定P=1%時,相應(yīng)的系數(shù)KP=3.58。

        5)由適線確定單站的各時段統(tǒng)計參數(shù)后,指定時段的設(shè)計暴雨量 Ht,p=KPHp,則設(shè)計日暴雨量 H日,1%=42.6 mm。

        6)利用日暴雨量求暴雨參數(shù)SP,采用的計算公式為 SP=KH日,1%× 24n2-1,其中,K 為系數(shù),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般為1.10~1.25,n2為暴雨強(qiáng)度衰減指數(shù)。結(jié)合本線地形地貌,K取1.13,n2取0.8,則可得設(shè)計暴雨參數(shù)S1%=25.5 mm/h。

        表1 鐵干里克站歷年日最大降水量統(tǒng)計分析

        圖1 鐵干里克氣象站歷年日最大降水量頻率曲線

        3 結(jié)語

        1)根據(jù)鐵干里克氣象站資料計算出的S1%=25.5 mm/h,由鐵一院編寫《壹橋8216》中的暴雨等值線圖查得S1%=20 mm/h,比計算結(jié)果小,主要原因?yàn)殍F一院編寫的《壹橋8216》完成于80年代,收集資料序列較短,而本次收集的雨量資料至2010年,雨量序列資料增加近30年,所以本次分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。對于本地區(qū)而言,暴雨洪峰對線路危害較大,結(jié)合線路所處的地形、地貌,地區(qū)的暴雨特性、成因、暴雨路徑等,最終確定S1%=25 mm/h。

        2)本文雖然確定了流域面積<100 km2的百年洪峰流量的暴雨參數(shù)計算方法,但是由于測量資料匱乏,沒有<1 h和1~6 h的降雨資料,無法驗(yàn)證衰減指數(shù)。下一步還需要進(jìn)一步驗(yàn)證,以便使暴雨參數(shù)計算更加準(zhǔn)確。

        [1]鐵道部第三勘測設(shè)計院.橋渡水文[M].北京:中國鐵道出版社,1993.

        [2]中華人民共和國鐵道部.鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,1999.

        [3]鐵道部第一設(shè)計院,中國科學(xué)院地理研究所,鐵道部科學(xué)研究院西南所.小流域暴雨洪峰流量計算[M].北京:中國科學(xué)出版社,1978.

        [4]鐵道部第一勘測設(shè)計院.壹橋8216[S].蘭州:鐵道部第一勘測設(shè)計院,1984.

        [5]陳勇.沈哈客運(yùn)專線橋涵水文計算分析[J].鐵道建筑,2007(2):7-9.

        [6]金發(fā)良.通霍鐵路既有線水害原因分析及對策研究[J].鐵道建筑,2011(3):76-79.

        U442.5+8

        A

        10.3969/j.issn.1003-1995.2013.05.09

        1003-1995(2013)05-0029-03

        2012-10-11;

        2013-03-05

        張宇(1977— ),男,新疆烏魯木齊人,工程師。

        (責(zé)任審編 李付軍)

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