嚴(yán)志剛

(五家渠農(nóng)六師勘測設(shè)計研究有限責(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為例，采用不同方法對河段洪水流量進(jìn)行計算分析。

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。河流總體走向為東南至西北走向。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。針對小青河站的設(shè)計洪峰流量采用頻率分析法進(jìn)行計算。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)用矩法對最大洪峰流量系列的統(tǒng)計參數(shù)進(jìn)行估算，然后以此為基礎(chǔ)，應(yīng)用適線法對P-Ⅲ型頻率曲線進(jìn)行選配，以此推算小青河站設(shè)計洪峰流量。小青河設(shè)計洪水計算成果見圖1。

圖1 小青河站洪峰流量頻率曲線圖

3 研究河段設(shè)計洪水計算

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)計洪水分析計算，分別采用目前常用的面積比擬法及推理公式法對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。一般情況下，推理公式法是小流域由暴雨資料推求設(shè)計洪水的方法之一，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候，面積比擬法則是解決小流域設(shè)計洪水流量計算時最實(shí)用的方法之一，且計算過程簡單。該計算方法中流域的相似性、洪水成因及特牲、流域面積等對計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)計洪水的分析計算，第一段：起點(diǎn)樁號0+000～樁號2+500段，經(jīng)1∶5萬地形圖上量算得該河段最下游一個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 面積比擬法洪水計算

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

根據(jù)式（1）計算研究河段設(shè)計洪峰流量，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)來計算小流域洪水量的基本手段之一。設(shè)計暴雨計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)計暴雨資料見表2。

設(shè)計最大24小時點(diǎn)降雨量采用下式計算：

設(shè)計最大24小時面降雨量的計算公式為：

式中：h24為最大24小時點(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小時降雨量折算系數(shù)，取K1=1.13；H24為最大24小時面降雨量，mm；K2為最大24小時點(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)計洪水計算規(guī)范》（SL44-2006）及《水利水電工程設(shè)計洪水計算手冊》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)計洪峰流量。計算公式如下：

式中：Qm為設(shè)計洪峰流量（m3/s）；ψ為洪峰徑流系數(shù)；Sp為設(shè)計頻率的雨力（mm/h）；τ為匯流時間（h）；tc為產(chǎn)流時間（h）；m 為匯流參數(shù)(可根據(jù)的計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日降水量頻率計算設(shè)計成果，按下式計算設(shè)計雨力：

式中：t取24小時；H24P為最大24小時降水量。

由于暴雨歷時多小于1小時，因當(dāng)?shù)馗髡拘∮?小時的時段暴雨資料很少，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。計算采用設(shè)計洪水規(guī)范所列的m值計算方法，首先根據(jù)式（7）計算出洪溝的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TC的計算公式為：

式中符號意義同上。

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

表3 烏倫布拉克河研究河段設(shè)計洪峰流量（推理公式法）

4 設(shè)計洪水結(jié)果對比分析

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)計洪水，分別推算出的兩種設(shè)計洪峰流量計算成果如表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計算得出的值要大；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)驗分析數(shù)據(jù)，只能借用其它地區(qū)的實(shí)驗分析數(shù)據(jù)。而對于面積比擬法而言，計算涉及參證流域（小青河流域）與設(shè)計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，兩種計算條件均滿足其使用要求，計算成果均有一定的可信度。因此，鑒于以上兩種方法計算所得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)計洪峰流量采用推理公式法的計算結(jié)果作為設(shè)計依據(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)計洪峰流量的計算手段。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算設(shè)計洪峰流量，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)，采用推理公式法計算了研究河段設(shè)計洪峰流量。對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算得到的結(jié)果則較大。鑒于安全考慮，研究河段的設(shè)計洪峰流量采用推理公式法的計算結(jié)果作為設(shè)計依據(jù)。