嚴(yán)志剛

(五家渠農(nóng)六師勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，新疆 五家渠 831300)

洪水災(zāi)害是重大自然災(zāi)害之一。目前，我國每年由于洪水災(zāi)害產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失十分慘重。為避免河道發(fā)生洪水災(zāi)害，需要通過修建防洪堤，保證有足夠的排洪斷面，保證河道行洪通道暢通安全，避免出現(xiàn)影響河道宣泄狹窄的河段，減輕洪水災(zāi)害。為保護(hù)沿河道路、牧草地及公共設(shè)施。本文以烏倫布拉克河流域?yàn)槔?，采用不同方法?duì)河段洪水流量進(jìn)行計(jì)算分析。

1 工程概況

烏倫布拉克河屬于山溪性河溝，發(fā)源于北塔山西部山區(qū)，北塔山屬阿爾泰山脈支系，是中國與蒙古國之間的界山，海拔高程介于1530 m～3287 m之間。烏倫布拉克河與庫甫溝同源，分布于分水嶺南北兩側(cè)。河溝出山口以上河長約10 km。烏倫布拉克河出山口以上河長11.7 km，集水面積25.3 km2。整個(gè)流域東南高西北低，向西南傾斜，河長約23 km。烏倫布拉克河河谷及陰坡植被覆蓋度較高，有麻黃、爬地松，真旱生禾草棱狐茅、針茅。海拔2300 m以上陰坡分布有西伯利亞松。該河水源主要為山泉水和大氣降水，平時(shí)主要有山泉水和經(jīng)烏倫布拉克一道壩由暗渠引入的卡哈提河水，此區(qū)域地勢起伏不大，相對(duì)高差約50 m～150 m。烏倫布拉克河河谷由東南流向西北出山口，出山口下游13 km，流經(jīng)丘陵區(qū)、戈壁灘，最終消失于戈壁灘。河流總體走向?yàn)闁|南至西北走向。烏倫布拉克河流域四季多風(fēng)，降水稀少，屬典型的大陸性戈壁荒漠氣候。

2 流域水文基本資料

烏倫布拉克河上無水文觀測站，北塔山大石頭水文站設(shè)立于2014年，其水文資料年限短，不適于作為洪水計(jì)算依據(jù)，由于小青河流域與烏倫布拉克河流域相距140 km,兩河流域發(fā)源于同一山系，洪水分析采用鄰近流域小清河水文站作為參證站。限于篇幅，參證站的可行性及代表性分析等不再贅述。水文計(jì)算選用的水文資料年限為1962年～2010年。

根據(jù)小青河水文站觀測資料分析，山頂積雪消融和夏季暴雨是引起烏倫布拉克河流域發(fā)生洪水的主要原因，具有明顯的季節(jié)性特點(diǎn)，主要發(fā)生在春季和夏季。春季氣溫升高，山頂積雪消融，進(jìn)而發(fā)生洪水；夏季雨水增多，暴雨則是形成洪水的主要原因。

小青河水文站具有51年連續(xù)完整的實(shí)測洪水資料，系列較長。針對(duì)小青河站的設(shè)計(jì)洪峰流量采用頻率分析法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)小青河站的洪水資料，采用年最大值選樣，選取年最大洪峰流量系列，首先運(yùn)用矩法對(duì)最大洪峰流量系列的統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行估算，然后以此為基礎(chǔ)，應(yīng)用適線法對(duì)P-Ⅲ型頻率曲線進(jìn)行選配，以此推算小青河站設(shè)計(jì)洪峰流量。小青河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果見圖1。

圖1 小青河站洪峰流量頻率曲線圖

3 研究河段設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

烏倫布拉克河流域無任何洪水資料，因此，烏倫布拉克河研究河段設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算，分別采用目前常用的面積比擬法及推理公式法對(duì)烏倫布拉克河流域研究河段的最大洪峰流量進(jìn)行分析，以此來指導(dǎo)防洪設(shè)計(jì)。一般情況下，推理公式法是小流域由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水的方法之一，通常在流域集水面積應(yīng)小于300 km2的情況下適用。而當(dāng)無資料或缺少資料的時(shí)候，面積比擬法則是解決小流域設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算時(shí)最實(shí)用的方法之一，且計(jì)算過程簡單。該計(jì)算方法中流域的相似性、洪水成因及特牲、流域面積等對(duì)計(jì)算精度的控制都具有十分重要的作用。

根據(jù)山洪溝道的分布位置，將研究河段流量變化分為兩段進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水的分析計(jì)算，第一段：起點(diǎn)樁號(hào)0+000～樁號(hào)2+500段，經(jīng)1∶5萬地形圖上量算得該河段最下游一個(gè)斷面以上集水面積為13.1 km2，主河道河長為2.5 km，河道比降為5.4%。第二段：樁號(hào)2+500～出山口（三道壩引水渠首），經(jīng)1∶5萬地形圖上量算得該河段最下游一個(gè)斷面以上集水面積為25.3 km2，主河道河長為11.06 km，河道比降為4.2%。

3.1 面積比擬法洪水計(jì)算

根據(jù)小青河水文站設(shè)計(jì)洪峰流量，采用面積比擬法，估算出研究河段設(shè)計(jì)洪峰流量。設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算公式如下：式中：Qmp為入庫設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；Qmc參證站設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；Fp為設(shè)計(jì)站集水面積，km2；Fc為參證站集水面積，km2。

根據(jù)式（1）計(jì)算研究河段設(shè)計(jì)洪峰流量，結(jié)果見表1。

表1 烏倫布拉克河研究河段設(shè)計(jì)洪峰流量（面積比擬法）

3.2 推理公式法

推理公式法通常又叫合理公式法，是采用水文站提供的暴雨數(shù)據(jù)來計(jì)算小流域洪水量的基本手段之一。設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算采用北塔山氣象站1986年～2012年最大1日降雨量觀測統(tǒng)計(jì)資料。北塔山氣象站位于烏倫布拉克河流域內(nèi)，該站成立于1957年10月，海拔高程1653.7 m，為我國西北地區(qū)基本站，北塔山氣象站設(shè)計(jì)暴雨資料見表2。

設(shè)計(jì)最大24小時(shí)點(diǎn)降雨量采用下式計(jì)算：

設(shè)計(jì)最大24小時(shí)面降雨量的計(jì)算公式為：

式中：h24為最大24小時(shí)點(diǎn)降雨量，mm；P1r為最大1日降雨量，mm；K1為最大1日降雨量與最大24小時(shí)降雨量折算系數(shù)，取K1=1.13；H24為最大24小時(shí)面降雨量，mm；K2為最大24小時(shí)點(diǎn)、面降雨量折算系數(shù)，取K2=1.01（由于北塔山氣象站所在高程為1653.7 m，項(xiàng)目區(qū)高程在1757 m～2258 m范圍，上游產(chǎn)流區(qū)高程均大于1653.7 m，所以點(diǎn)面雨量換算系數(shù)應(yīng)該大于1，故取為1.01）。

表2 北塔山氣象站設(shè)計(jì)暴雨資料

依據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL44-2006）及《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算手冊》等參考技術(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，推算治理河段設(shè)計(jì)洪峰流量。計(jì)算公式如下：

式中：Qm為設(shè)計(jì)洪峰流量（m3/s）；ψ為洪峰徑流系數(shù)；Sp為設(shè)計(jì)頻率的雨力（mm/h）；τ為匯流時(shí)間（h）；tc為產(chǎn)流時(shí)間（h）；m 為匯流參數(shù)(可根據(jù)的計(jì)算值查小流域下墊面分類m值表，在北方干旱、半干旱地區(qū)的m取值)；F為流域面積（km2）；L為河長（km）；J為河道比降（‰）；θ為流域特征參數(shù)；μ為產(chǎn)流參數(shù)（入滲率，mm/h）；n為暴雨衰減指數(shù)。

計(jì)算過程中，流域的溝長L、平均縱坡J及流域面積F均從1∶5萬比例尺的流域地形圖上直接量算。土壤下滲強(qiáng)度μ值由山洪溝洪水調(diào)查中的土壤實(shí)地情況，采用以下公式計(jì)算：

式中：R為損失系數(shù)；r1為損失指數(shù)，R和r1反映不同下墊面條件，不同土類平均損失的計(jì)算參數(shù)。損失參數(shù)可根據(jù)山洪溝當(dāng)?shù)赝寥赖膶?shí)際具體情況，然后查閱《小流域暴雨洪峰流量計(jì)算》表分析得出。根據(jù)研究河段雨洪及其河道性質(zhì)、不同區(qū)域土壤植被的特征等資料，結(jié)合該河段地處深山，其植被稀疏，而且流域內(nèi)在夏季時(shí)有小雨，所以地面前期土壤干旱，取R=1.08，r1=0.75。

根據(jù)北塔山氣象站多年實(shí)測年最大1日降水量頻率計(jì)算設(shè)計(jì)成果，按下式計(jì)算設(shè)計(jì)雨力：

式中：t取24小時(shí)；H24P為最大24小時(shí)降水量。

由于暴雨歷時(shí)多小于1小時(shí)，因當(dāng)?shù)馗髡拘∮?小時(shí)的時(shí)段暴雨資料很少，n值是隨頻率變化的，但考慮到實(shí)測暴雨的分布情況及工程安全，故選用《新疆可能最大暴雨圖集》分析成果，取 n=0.62。

匯流參數(shù)m是反映流域下墊面特性的綜合性參數(shù)，在無資料地區(qū)采用地區(qū)綜合法。計(jì)算采用設(shè)計(jì)洪水規(guī)范所列的m值計(jì)算方法，首先根據(jù)式（7）計(jì)算出洪溝的θ值，然后查小流域下墊面條件分類m值表，θ=34.52，m=1.62。

產(chǎn)流歷時(shí)TC的計(jì)算公式為：

式中符號(hào)意義同上。

由式（2）～式（10）計(jì)算得出的研究河段設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果見表3。

表3 烏倫布拉克河研究河段設(shè)計(jì)洪峰流量（推理公式法）

4 設(shè)計(jì)洪水結(jié)果對(duì)比分析

在無資料的情況下，分別采用面積比擬法、推理公式法兩種方法推算烏倫布拉克河流域研究河段設(shè)計(jì)洪水，分別推算出的兩種設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果如表1和表3所示。經(jīng)比較和分析可以看出，在小頻率條件下（P=2%～10%），采用理論公式方法推算出的洪峰流量值比采用面積比擬法時(shí)計(jì)算得出的值要大；而在大頻率條件下（P＞10%）, 以小青河水文站作為參證站，采用面積比擬法所計(jì)算得到的結(jié)果則大于采用推理公式得出的結(jié)果。

烏倫布拉克河流域研究河段斷面以上集水面積在25.3 km2，滿足計(jì)算使用要求，但烏倫布拉克河流域缺少流域或流域附近區(qū)域的相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，只能借用其它地區(qū)的實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)。而對(duì)于面積比擬法而言，計(jì)算涉及參證流域（小青河流域）與設(shè)計(jì)流域同屬阿爾泰山系，且流域下墊面條件基本相似。由上分析可知，兩種計(jì)算條件均滿足其使用要求，計(jì)算成果均有一定的可信度。因此，鑒于以上兩種方法計(jì)算所得10年一遇的洪水成果差異不大，為了安全考慮，故研究河段的設(shè)計(jì)洪峰流量采用推理公式法的計(jì)算結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

5 結(jié)語

面積比擬法與推理公式法均為無可用材料條件下流域河段設(shè)計(jì)洪峰流量的計(jì)算手段。烏倫布拉克河位于北塔山西部，流域上尚無可用的水文觀測站作為洪水計(jì)算分析的數(shù)據(jù)資料來源。因此，利用臨近流域小清河水文站作為參證站計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量，然后以此為基礎(chǔ)采用面積比擬法估算研究河段設(shè)計(jì)洪峰流量。此外，還利用北塔山氣象站降雨量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用推理公式法計(jì)算了研究河段設(shè)計(jì)洪峰流量。對(duì)兩種方法估算的洪峰流量進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在小頻率條件下（P=2%～10%），采用理論公式方法推算出的洪峰流量值大，而在大頻率條件下（P＞10%）,采用面積比擬法所計(jì)算得到的結(jié)果則較大。鑒于安全考慮，研究河段的設(shè)計(jì)洪峰流量采用推理公式法的計(jì)算結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)。