(新疆地質(zhì)工程勘察院，新疆 烏魯木齊 830091)

泥石流是山區(qū)較為常見的地質(zhì)災(zāi)害。在中國西南地區(qū)，每年因泥石流地質(zhì)災(zāi)害的爆發(fā)，造成的損失相當(dāng)巨大，泥石流災(zāi)害的防治顯得非常重要。作為泥石流防治工程的重要設(shè)計參數(shù)，洪水分析計算在防治工程設(shè)計經(jīng)濟(jì)合理性、技術(shù)可信性及安全可靠性方面是關(guān)鍵的技術(shù)參考。

1 項目區(qū)概況

研究區(qū)位于克孜勒蘇柯爾克孜自治州烏恰縣紅山新村。研究區(qū)為一個涵蓋泥石流形成-流通區(qū)、堆積區(qū)以及泥石流災(zāi)害影響區(qū)的區(qū)域，通過水文分析，紅山新村泥石流溝流域集水面積10.36 km2。紅山新村泥石流溝位于卓尤勒汗蘇河西岸，總地勢西高東低，泥石流溝呈東西向展布，形成西、南、北三面環(huán)山，中間為泥石流形成區(qū)和流通區(qū)，向東開口堆積的地形。該石流溝為一個季節(jié)性的洪水溝，只有在春季融雪及降雨時，溝道中才會有水流下泄，洪水流入桌尤勒汗蘇河，再匯入克孜勒蘇河。烏恰縣總體地貌特征是一克孜勒蘇河為界，，以北為南天山山脈西段，以南為帕米爾高原、昆侖山麓，東南部是喀什三角洲沖擊平原區(qū)。烏恰縣境內(nèi)地域遼闊，地形復(fù)雜，地勢高差懸殊，氣候垂直分布明顯。氣候特征是氣溫隨海拔升高而遞減，降水隨海拔升高爾增加，干燥度隨海拔增高爾減小。烏魯克恰提鄉(xiāng)屬于中溫帶大陸性干旱氣候，日照時間長，降雨量稀少，年平均氣溫5.5℃，一月平均氣溫-9.6℃，由于處在逆溫層內(nèi)，冬天不十分寒冷。最熱約為七月份，平均氣溫18℃，年降水量約140 mm，無霜期115天全年日照時數(shù)為2 800 h，日照百分率全年平均63.5%。年平均氣溫7.5℃，最冷月為一月，平均氣溫-8.0℃，最熱月份為7月，平均溫度20℃。降水量平均140 mm，降水季節(jié)不均，夏季降水量占全年降水量的80%，無霜期為140 d。根據(jù)《新疆地表水資源評價》(新疆水文水資源局，2005年)中繪制的1956～2000年新疆維吾爾自治區(qū)多年平均徑流深等值線圖，在1：25萬的克孜勒河流域多年平均徑流深等值線圖上量算得出紅山新村泥石流溝徑流系列截至2000年的多年平均年徑流量為51.79×104m3，再用克孜勒河水文站長短系列訂正至2015年，訂正系數(shù)1.007，推算出紅山新村泥石流溝多年平均設(shè)計年徑流量52.15×104m3。然后借用克孜勒河水文站的統(tǒng)計參數(shù)計算不同保證率下年徑流量，紅山新村泥石流溝設(shè)計年徑流量計算成果見表1。

表1 紅山新村泥石流溝設(shè)計年徑流量計算成果表

2 洪水分析

2.1 洪水成因及類型

根據(jù)紅山新村泥石流溝所處地理位置及該區(qū)域內(nèi)的氣候特征分析，該山洪溝屬季節(jié)性山洪溝，流域的暴雨是山洪溝洪水形成的主要原因。

暴雨洪水是在區(qū)域內(nèi)中、低山區(qū)發(fā)生持續(xù)性降水和較大雨強(qiáng)的局地暴雨時，流域超滲產(chǎn)流而形成的洪水，產(chǎn)流區(qū)山勢陡峻,流域調(diào)蓄能力弱,降雨回流時間短,洪峰往往起漲猛，峰頂持續(xù)時間短，落勢也快，峰高量小，過程單一，突發(fā)性強(qiáng)，破壞性極大，往往造成較大的洪水災(zāi)害。

2.2 降雨資料系列的代表性分析

2.2.1 降雨資料系列可靠性分析分析

烏恰縣氣象站為國家基本氣象站，其氣象要素測驗規(guī)范，觀測項目較齊全。所有觀測項目和觀測數(shù)據(jù)整編均符合國家行業(yè)技術(shù)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)和要求，數(shù)據(jù)成果可靠，可以滿足水文分析計算要求的需求。

2.2.2 降雨資料系列代表性分析

由于紅山新村泥石流溝位于季節(jié)性干溝中，流域集水面積僅10.36 km2，對于此種小流域設(shè)計洪水的計算，目前應(yīng)用較為廣泛的方法都是建立在區(qū)域暴雨資料基礎(chǔ)之上的，為了使最終計算的設(shè)計洪水成果更為精確，因此本次首先對區(qū)域降水資料進(jìn)行代表性分析。

根據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)可能最大暴雨圖集》，新疆的暴雨歷時一般不超過24 h，但由于大多氣象站1 h和6 h的暴雨資料缺乏，且目前較為成熟的暴雨洪水的計算方法都是建立在最大24 h暴雨基礎(chǔ)之上的，因此本次選用區(qū)域最大一日降雨資料作為暴雨資料，然后再根據(jù)最大一日降雨和最大24 h降雨的折算系數(shù)求得區(qū)域最大24 h的降水量。

紅山新村泥石流溝位于烏恰縣克孜勒河境內(nèi)，流域內(nèi)距離山洪溝70 km的烏恰縣城設(shè)有烏恰縣氣象站。本次以烏恰縣氣象站1980～2015年的最大一日降雨資料作為設(shè)計洪水計算的基礎(chǔ)資料。其代表性分析如下：

(1)長短系列統(tǒng)計參數(shù)對比分析

將烏恰氣象站最大一日降雨系列資料以2010年作為截止年份向前推，選取不同長度的降雨系列，采用矩法分別估算降雨系列統(tǒng)計參數(shù)均值和Cv值，計算成果見表2。從表中可看出，隨降雨系列長度的增加，其系列均值和Cv值逐漸趨于穩(wěn)定。而且當(dāng)降雨系列長度達(dá)25 a以上時，系列均值在25.12～26.24之間波動，Cv值在0.295～0.300之間波動，其相對誤差均很小。

表2 烏恰縣氣象站最大一日降雨系列統(tǒng)計參數(shù)(矩法估算值)對照表

(2)模比系數(shù)差積曲線分析

烏恰縣氣象站最大一日降雨系列自1985～1992年為一段較長的少降雨年段，1993～1998年又經(jīng)歷了一段降雨兩接近多年平均的時段，1999～2001年為一段降雨偏多年段，2002～2005年又經(jīng)歷了一段降雨兩接近多年平均的時段，2006～2008年為一段較長的少降雨年段，2009～2012年為一段降雨偏多年段， 2003～2015年為降雨偏少年段的起始年段。烏恰縣氣象站最大一日降雨系列經(jīng)歷了豐枯年段，降雨偏多年段與降雨偏少年段基本平衡，說明烏恰縣氣象站最大一日降雨系列有一定的代表性。

(3)模比系數(shù)累積平均曲線分析

從圖中可看出，該曲線呈現(xiàn)一定的收斂性，其模比系數(shù)累積平均值隨降雨系列長度的增加而呈逐漸減小的趨勢，均值漸趨穩(wěn)定。當(dāng)降雨系列長度超過20年時，逐漸趨近于1，均值在1附近波動，振幅較小，相對誤差較小。

圖1 烏恰縣氣象站最大一日降雨模比系數(shù)累積平均曲線

通過以上三性分析可知，烏恰縣氣象站的最大一日降雨資料系列代表性較好，可以作為本項目設(shè)計洪水計算的基礎(chǔ)資料。

2.3 泥石流溝設(shè)計洪水計算

由于紅山新村泥石流溝流域缺乏洪水?dāng)?shù)據(jù)，所以，本次紅山新村泥石流溝設(shè)計洪水分析計算，遵循多種方法，綜合分析，合理選用的原則，針對紅山新村泥石流溝流域的洪水成因及其特性，分別采用在無數(shù)據(jù)或缺乏數(shù)據(jù)地區(qū)小流域設(shè)計洪水計算中常用的推理公式法、調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法和地區(qū)綜合經(jīng)驗公式法等方法進(jìn)行紅山新村泥石流溝設(shè)計洪峰流量及各時段洪量計算。

2.3.1 推理公式法

研究區(qū)采用水利科學(xué)研究院推理公式，推理公式法又稱合理公式，是利用暴雨數(shù)據(jù)推求小流域設(shè)計洪水的常用方法之一。

依據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》(SL44-93)、《水利水電工程設(shè)計洪水計算手冊》等技術(shù)數(shù)據(jù)，并結(jié)合該流域的下墊面條件情況，分別選用不同的參數(shù)，采用推理公式法，推算設(shè)計洪峰流量。

計算公式如下：

(1)

(2)

其中：

(3)

(4)

(5)

(6)

由于在設(shè)計條件下，一般都是tc≥τ，因此，利用上述公式，采用迭代試算法求設(shè)計洪峰流量，紅山新村泥石流溝設(shè)計洪峰流量計算成果見表3。

2.3.2 調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法

調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法也是利用暴雨數(shù)據(jù)推求小流域設(shè)計洪水的常用方法之一。

根據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)可能最大暴雨圖集》(1983年5月)和《新疆維吾爾自治區(qū)中小流域設(shè)計暴雨洪水圖集》及上世紀(jì)九十年代初新疆水文水資源局對新疆小流域暴雨的研究成果，其方法和步驟與推理公式法中的相關(guān)內(nèi)容相同。烏恰縣氣象站設(shè)計暴雨計算成果見表4。

計算公式如下：

i凈=R凈/tc

R凈=Ptc-ftc

b=(T0-0.5△t)/(T0+0.5△t)

ui=(1-b)bi-1

u1=(1-b)

u2=(1-b)b

n=(tm/△t)+1

Ii=FR凈/3.6△t

紅山新村泥石流溝設(shè)計洪峰流量及各時段洪量計算成果見表4。

表3 紅山新村泥石流溝設(shè)計洪峰流量成果表(推理公式法)

表4 紅山新村泥石流溝設(shè)計洪峰流量成果表(調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法)

2.3.3 地區(qū)綜合經(jīng)驗公式法

地區(qū)經(jīng)驗公式法是指在一定區(qū)域內(nèi)，洪峰流量與主要因素之間的經(jīng)驗關(guān)系。洪峰流量和其他水文要素一樣，是氣候和下墊面眾多因素綜合作用的結(jié)果。

由于對洪峰流量資料處理方式及采用的參數(shù)不同，可以組合成眾多形式的經(jīng)驗公式。研究區(qū)根據(jù)不同的參數(shù)采用以下三種經(jīng)驗公式對紅山新村泥石流溝的設(shè)計洪峰流量進(jìn)行計算，以求更為合理的成果供設(shè)計部門使用。

(1)經(jīng)驗公式一

根據(jù)《橋梁水力水文》(俞高明編)中的經(jīng)驗公式如下：

QP=ψ(Sp-μ)m·Fλ

(7)

式中：ψ、m、λ為經(jīng)驗指數(shù)。根據(jù)項目所在區(qū)域的下墊面條件，研究區(qū)流域特征更符合土石山植被特征，因此本次ψ取0.035，m取1.5，λ取0.8。將以上確定的各項參數(shù)代入公式，可求出紅山新村泥石流溝設(shè)計洪峰流量，計算結(jié)果見表5。

表5 紅山新村泥石流溝設(shè)計洪水成果表(經(jīng)驗公式一)

(2)經(jīng)驗公式二

根據(jù)《水文分析與計算》(河海大學(xué)，劉光文主編)中地區(qū)經(jīng)驗公式的演變，如下：

QP=h24pα·Fn·Jm

(8)

式中：α、n、m為經(jīng)驗指數(shù)。根據(jù)阿圖什地區(qū)以往經(jīng)驗成果，α取0.6，n取0.5，m取0.1。

將以上確定的各項參數(shù)代入公式，可求出紅山新村泥石流溝設(shè)計洪峰流量，計算結(jié)果見表6。

3 分析方法對比分析

研究分別采用推理公式法、調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法和地區(qū)綜合經(jīng)驗公式等三種方法推算紅山新村泥石流溝設(shè)計洪水，根據(jù)對上述三種方法推算出四種紅山新村泥石流溝設(shè)計洪水計算成果(見表3、表4、表6、表7)比較和分析可以看出：

調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法是在單位線法的基礎(chǔ)上結(jié)合新疆實際情況的改進(jìn)，對新疆小流域設(shè)計洪水的推求，是較為實用的方法之一。但考慮到調(diào)蓄經(jīng)驗單位線的

匯流參數(shù)T0和tm值均直接來自實測洪水過程線的宏觀分析，且該方法的計算結(jié)果在四種方法的計算結(jié)果中偏小太多，這主要是由于新建尾礦庫壩址以上的集水面積太小的原因，且該方法無法考慮流域的下墊面情況，因此不予推薦調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法的計算結(jié)果。

推理公式法也是推求新疆小流域設(shè)計洪水較為實用的方法之一，盡管該方法中所需確定的參數(shù)較多，且缺少流域或流域附近區(qū)域的相關(guān)實驗分析數(shù)據(jù)，只能借用其它地區(qū)的實驗分析數(shù)據(jù)，但是只要項目區(qū)的暴雨資料系列比較完整，代表性好，計算精度還是比較好的。該方法對于這種集水面積很小的流域，由于其溝長短，坡降大的特點(diǎn)，導(dǎo)致匯流時間短，形成的洪水往往也具有較大的破壞力，這些因素在推理公式法中都完全可以體現(xiàn)，其計算結(jié)果在本次所有方法的計算結(jié)果中也是偏于安全的，因此本次推薦推理公式法的計算結(jié)果。

地區(qū)經(jīng)驗公式法的兩種類型中，經(jīng)驗公式一與經(jīng)驗公式二的結(jié)果相差很大，主要是由于經(jīng)驗公式二中最大24點(diǎn)雨量加上經(jīng)驗指數(shù)α后，使該公式計算的不同頻率的洪峰流量相差不大，與實際情況不符；而經(jīng)驗公式一計算的結(jié)果與其他方法的計算結(jié)果偏小太多，因此經(jīng)驗公式一和經(jīng)驗公式二的計算結(jié)果均不予推薦。

4 結(jié)語

通過對上述四種計算法的對比分析，確定在南疆烏恰地區(qū)采用推理公式發(fā)計算出的設(shè)計洪峰流量最接近現(xiàn)場實際情況，在今后的計算中可作為參考。

[1]新疆水文水資源局.新疆維吾爾自治區(qū)地表水資源評價.2005.9.

[2]新疆水文水資源局編.工程水文分析計算.2003.2.

[3]泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范(DZ/T0220-2006).

[4]泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范(DZ/T0239-2004).

[5]巖土工程勘察規(guī)范(GB50021-2009).2009.

[6]工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50266-1999).

[7]水利學(xué).中國建筑工業(yè)出版社.

[8]農(nóng)田水利工程.科學(xué)出版社.