內(nèi)蒙古高原地區(qū)鐵路水文分析研究

許志強(qiáng) 賀艷麗

(1.中交鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088;2.中科院建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 1001901)

1 工程概況

內(nèi)蒙古高原區(qū)主要由四大地貌組成，中部陰山山脈橫亙于內(nèi)蒙古東西，山北內(nèi)蒙古高原，山南部河套平原，河套以南為鄂爾多斯高原。此類地區(qū)的鐵路設(shè)計(jì)主要受到地形、地貌和沿線河流水文限制。沿線河流的設(shè)計(jì)流量和水位影響到全線線路的控制高程。如何計(jì)算流量、水位對(duì)全線的工程造價(jià)具有重要意義。

塔本陶勒蓋礦區(qū)鐵路運(yùn)煤專用線(甘泉線)位于我國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)西北部的巴彥淖爾市、包頭市境內(nèi)。項(xiàng)目南起包神鐵路的萬水泉南站，經(jīng)包頭市的麻池鄉(xiāng)、全巴兔鄉(xiāng)、哈林格爾鄉(xiāng)、哈業(yè)腦包鄉(xiāng)后，穿烏拉山，向西北經(jīng)烏拉特前旗沙德蓋工業(yè)園區(qū)、北方重工后，向西經(jīng)烏拉特前旗大佘太鎮(zhèn)，至烏拉特中旗金泉工業(yè)園區(qū)后折向北，經(jīng)烏拉特中旗海流圖鎮(zhèn)、川井蘇木、巴音杭蓋，北至中蒙邊境中方口岸甘其毛道，線路長(zhǎng)354.816 km(如圖1所示)。

本地區(qū)屬典型的干旱半干旱大陸性溫帶氣候區(qū)，四季分明，冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)而少雪，春季干旱多風(fēng)，夏季短促炎熱，秋季氣溫巨降，日照豐富，降水少而集中，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣候干旱多風(fēng)沙。項(xiàng)目主要通過以下區(qū)域:河套平原區(qū)，位于鄂爾多斯高原區(qū)與陰山山脈之間的黃河河套地帶，為黃河及黃河低階地區(qū);陰山山脈，雄偉的陰山山脈聳立于內(nèi)蒙古中部的巴彥淖爾市境內(nèi)，與緯度平行展布，是我國(guó)內(nèi)流區(qū)與外流區(qū)的分水嶺之一，東西長(zhǎng)千余公里，寬五十余公里;烏拉特高平原(內(nèi)蒙古高原)南至陰山北麓丘陵，北至國(guó)界，由南向北傾斜，地域遼闊，地勢(shì)坦蕩，高差較小，海拔一般在900～1 500m之間，屬內(nèi)蒙古高原的一部分。

2 主要河流水系特征及水文

線路沿線水系以狼山山地丘陵與烏蘭察布高原交接處為分水嶺，劃為兩個(gè)水系，起點(diǎn)—DK70+000為黃河水系，DK70+000—終點(diǎn)為內(nèi)陸河水系。

黃河水系河流的地面坡度大，溝谷河系較為發(fā)育，河床迂回曲折，大部分中小型水庫修建在各條河流下游處，是山前農(nóng)業(yè)的主要水源。河谷徑流主要是降雨形成，各地徑流受降雨左右，趨勢(shì)與降雨的地帶型分布一致。黃河流域地表徑流深為4～10 mm之間，多年平均地表徑流量5 973.4萬m3;多處平均地表徑流模數(shù)5 492m3/a·km2。

內(nèi)陸水系河流短，比降緩，河道下切不明顯，年徑流變化率不大，年徑流小。河流流入高原內(nèi)的洼地或消失在沙漠中，形成許多湖泊(淖爾)，其水源主要是降水，徑流年際及年內(nèi)變化主要受降雨影響。內(nèi)陸河地區(qū)地表徑流深在3 mm左右，多年平均地表徑流量為1 631.364萬m3，多年平均地表徑流模數(shù)為1 345.8m3/a·km2。

圖1 甘泉鐵路線路平面示意

線路跨越的主要黃河水系河流有:烏松圖勒河、蓿亥河(又名蘇海河)、木倫河(又名莫愣河)、石哈河、海流圖河;主要內(nèi)陸水系河流有:昌吉高勒、阿爾沙圖溝、古爾班烏蘭好來等。

3 小流域河流水文計(jì)算分析

3.1 水文分析方法的選擇

本線經(jīng)過的均為季節(jié)性河流，且因人煙稀少，洪水調(diào)查存在相當(dāng)?shù)睦щy，故采用以下3種方法確定流量:

①有觀測(cè)資料的大中河流搜集水利部門歷年流量觀測(cè)系列資料和歷史水位調(diào)查分析成果，采用當(dāng)?shù)厮挠?jì)算公式及經(jīng)驗(yàn)證的徑流公式相互論證，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況確定其流量、水位。

②沒有觀測(cè)資料，但能調(diào)查到洪水位的，則采用形態(tài)斷面法及經(jīng)驗(yàn)證的徑流公式相互論證，推求流量、水位。

③無法調(diào)查到洪水位的河溝，則用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算流量、水位。

3.2 設(shè)計(jì)流量的計(jì)算分析

利用狼山地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式和內(nèi)蒙古地方暴雨徑流計(jì)算公式以及鐵三院暴雨徑流計(jì)算公式計(jì)算的流量，與用形態(tài)法推算出的流量進(jìn)行比較分析，來確定小流域地面的暴雨徑流計(jì)算辦法和采用的有關(guān)參數(shù)是否合適。

(1)形態(tài)法

用調(diào)查所得到的歷史水位并確定頻率，根據(jù)河流的斷面和坡度計(jì)算出在這一水位時(shí)的流量，利用本地區(qū)的偏差系數(shù)(CS)、變異系數(shù)(CV)兩者之間的關(guān)系和兩次不同重現(xiàn)期流量，推求設(shè)計(jì)流量換算系數(shù)X(T1/T2)值，進(jìn)而推求100年流量。

(2)狼山地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式

本次的勘測(cè)范圍較廣，有一大段是在狼山地區(qū)，采用狼山地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算。狼山公式

式中:Qm為多年平均洪峰流量/(m3/s);F為流域面積/km2。

(3)地區(qū)公式法

本次的勘測(cè)范圍較廣，全部都是在內(nèi)蒙古境內(nèi)，采用內(nèi)蒙古地區(qū)公式來計(jì)算。

內(nèi)蒙古地區(qū)暴雨徑流計(jì)算公式

(內(nèi)蒙古地區(qū))

式中:Qm為多年平均洪峰流量/(m3/s);Qmp為不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量/(m3/s);Kp為不同頻率的模比系數(shù);C為參數(shù)從《內(nèi)蒙古自治區(qū)—水文手冊(cè)》查得;f為流域形狀系數(shù);H24為24 h雨量的平均值/mm;F為流域面積/km2;J為流域坡度，從分水嶺算起，用加權(quán)法計(jì)算;L為流域長(zhǎng)度，從分水嶺算起/km。

(4)鐵三院公式

本次勘測(cè)范圍內(nèi)的地形東部主要為陰山山脈，西部為烏拉特高平原地形，選用如下公式當(dāng)ap=Sp/tn時(shí):

式中，C2參數(shù)可按下式計(jì)算

式中，β0、r0、m0、A4均為參數(shù)，可從《水文手冊(cè)》表 5 －21查取;Sp頻率為P的雨力/(mm/min)。

P0參數(shù)可按下式計(jì)算

式中N0為參數(shù)，可從《水文手冊(cè)》表5－21查取。n為暴雨衰減系數(shù)(本次驗(yàn)證采用藍(lán)旗n=0.725);L4為流域長(zhǎng)度，從分水嶺算起/km;I4流域坡度，從分水嶺算起，用加權(quán)法計(jì)算;F為流域面積/km2;η為暴雨點(diǎn)面折減系數(shù)。

3.3 流量驗(yàn)證及分析

本次勘測(cè)歷時(shí)2個(gè)月，通過大量的調(diào)查和實(shí)地勘測(cè)工作，選出了17處較為典型的小面積流域作為驗(yàn)證的工點(diǎn)，經(jīng)過計(jì)算和分析，得出結(jié)果如表1、圖2所示。

表1 流量對(duì)照

圖2 各公式與形態(tài)法比較

小流域暴雨徑流計(jì)算和流域內(nèi)的氣候、地貌、地形、地質(zhì)等有著很大的關(guān)系。通過以上的驗(yàn)證工作及數(shù)據(jù)處理可以看出，由于線路較長(zhǎng)，任何一個(gè)公式都不能在全線范圍內(nèi)一直接近形態(tài)法，所以分段采用不同的公式。綜合各種因素，把全線分為三段，起點(diǎn)到DK70+000用內(nèi)蒙古地方公式;DK70+000到DK250+000用狼山公式;DK250+000到終點(diǎn)用三院法，這樣劃分比較適合本次勘測(cè)范圍內(nèi)小流域流量計(jì)算的實(shí)際情況。

4 結(jié)論

內(nèi)蒙古地區(qū)鐵路、公路設(shè)計(jì)，小流域區(qū)域內(nèi)水文資料稀缺的現(xiàn)象普遍存在，如何有效、準(zhǔn)確的計(jì)算對(duì)工程具有重大意義。結(jié)合塔本陶勒蓋礦區(qū)鐵路運(yùn)煤專用線的調(diào)查和踏勘，總結(jié)了內(nèi)蒙古高原的河流水文特征，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況和收集的水文資料，選擇了合理的水文分析方法，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的分析和論證，獲得了可靠的設(shè)計(jì)洪水流量和水位，并在工程實(shí)踐中得到了驗(yàn)證［7］，對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)其他鐵路、公路工程具有重要的參考價(jià)值。

［1］鐵道部第三勘察設(shè)計(jì)院．鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè):橋渡水文［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1999

［2］鐵道部第一勘察設(shè)計(jì)院．鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè):涵洞與拱橋［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1994

［3］鐵道部第三勘察設(shè)計(jì)院．鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè):橋梁設(shè)計(jì)通用資料［M］．北京;中國(guó)鐵道出版社，1994

［4］鐵道部第三勘察設(shè)計(jì)院．鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1999

［5］鐵道部第三勘察設(shè)計(jì)院．鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2006

［6］內(nèi)蒙古自治區(qū)革命委員會(huì)水利局．內(nèi)蒙古自治區(qū)水文手冊(cè)［M］．呼和浩特:內(nèi)蒙古自治區(qū)水利局，1977

［7］宮玉明，等．黃土丘陵溝壑區(qū)高速公路水文分析研究［J］．道路工程，2011(15):79－82