吐魯番市鉻渣場設(shè)計暴雨洪水分析

李樹波

（吐魯番水文勘測局，新疆 吐魯番 38000）

0 引言

近年來，煤礦等企業(yè)的渣場建設(shè)和渣土不科學(xué)堆放，在汛期造成許多垮壩和不安全事故，給下游群眾生命財產(chǎn)造成了巨大損失。同時，也給監(jiān)管部門和建設(shè)單位敲響了警鐘，必須高度重視渣場建設(shè)的暴雨洪水分析?，F(xiàn)以沈宏鉻渣場為例，對類似的渣場設(shè)計暴雨進行洪水分析。

1 概況

沈宏鉻渣場位于吐魯番火焰山北麓，介于煤窯溝河和黑溝河之間。淺山區(qū)至山前平原為巨厚的第四系地層，工程場址以北至山前區(qū)域地勢由北向南傾斜，海拔高度在930 m～360 m左右，出山口有3個沖洪溝，溝長約在3.6 km～5.0 km之間，這些溝為間歇性洪水干溝，平常無水。下游洪積扇至鉻渣場區(qū)域極度干燥，但在低山區(qū)或下游洪積扇平原出現(xiàn)持續(xù)性降水或較大的局地暴雨時，極易發(fā)生暴雨洪水。沖洪溝出山口平均距工程場址約15 km，出山口與工程場址之間有53.24 km2的荒漠戈壁區(qū)。為了確保沈宏鉻渣場防洪安全，需對渣場處的暴雨洪水進行分析。

北部山區(qū)各山洪溝無歷史調(diào)查洪水資料，2010年8月28日吐魯番水文水資源勘測局專門對該區(qū)域北部山區(qū)各山洪溝進行了暴雨和洪水調(diào)查。據(jù)調(diào)查渣場以北鐵路線以上有3條洪溝，溝長約在3.6 km～5.0 km之間，這些溝為間歇性洪水干溝。溝內(nèi)植被稀少，山體裸露，溝口海拔一般在900 m左右，屬干旱淺山區(qū)地帶。山溝流域面積較小，合計僅有14 km2，加上鐵路線以下至渣場43.24 km2荒漠戈壁區(qū)，總面積57.24 km2，地面坡降為23.3‰，下墊面狀況相對均勻，故在雨強大于滲強的條件下，主要以地表坡面產(chǎn)、匯流方式產(chǎn)生徑流。

2 暴雨洪水特性分析

2.1 暴雨成因分析

根據(jù)氣象資料統(tǒng)計分析，吐魯番市暴雨主要是由以下幾種天氣類型產(chǎn)生：

（1）鋒區(qū)波動型。南支鋒區(qū)多短波活動，這些東移的短波若遇到北支冷空氣，吐魯番地區(qū)可產(chǎn)生局地大降水。

（2）中亞橫槽或傾斜槽型。歐洲脊前烏拉爾山東南到西西伯利亞為一橫槽，或東北—西南向傾斜槽，當(dāng)高空東北方有冷空氣向南移，侵入該區(qū)上空時，則產(chǎn)生不穩(wěn)定層，結(jié)果造成對流發(fā)展，出現(xiàn)陣性降水。

（3）低渦型。當(dāng)?shù)蜏u大降水一旦影響到這一區(qū)域時，有時降水時間較長、范圍大、可出現(xiàn)連續(xù)大降水。如1958年8月11日～15日、1960年6月18日、1984年6月17日～24日等幾次大降水，大多是低渦系統(tǒng)影響所致。

2.2 暴雨特性

天山南坡山溪性河流[1]，洪水多由暴雨產(chǎn)生，各流域暴雨有以下特點：暴雨主要發(fā)生在夏季（6月～8月），山區(qū)發(fā)生暴雨機率比平原區(qū)多，暴雨的時空分布極不均勻；局部性暴雨歷時短（一般暴雨歷時不超過6 h），籠罩面積??；暴雨中心位置在中、高山區(qū)；暴雨次數(shù)與量級比新疆其它山區(qū)少而小。

2.3 鉻渣場北部洪水特性

鉻渣場北部山洪溝為間歇性洪水干溝，中下游沖洪積扇區(qū)極度干裂，當(dāng)在中低山區(qū)或下游洪積扇平原出現(xiàn)持續(xù)性降水和較大雨強的局地暴雨時，極易形成洪水，一般發(fā)生在6月～8月之間，洪水具有陡漲陡落、過程單一、峰型尖瘦、歷時短、峰高量小等特性。

3 工程場址設(shè)計暴雨洪水計算

渣場工程場址位于煤窯溝與黑溝河之間，前方北側(cè)至山前與3條山洪溝相接，集水面積14 km2，鐵路線以下至渣場有43.24 km2荒漠戈壁區(qū)，總面積57.24 km2。鑒于山溝流域面積較小，為便于分析計算，本次暴雨洪水計算將3條山洪溝與荒漠戈壁區(qū)同視為一個區(qū)域合并計算。渣場場址洪水多由暴雨形成，匯流面積較小，缺乏基本水文資料，根據(jù)規(guī)范無資料地區(qū)設(shè)計暴雨可使用省區(qū)暴雨洪水圖集作為設(shè)計依據(jù)。本次暴雨洪水計算主要以調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法和推理公式法推求洪水過程，兩種方法經(jīng)比選后最后推薦計算成果。

3.1 調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法

（1）設(shè)計暴雨計算

從天山北坡暴雨特性來看,一般小流域可用24小時設(shè)計暴雨來推求。新疆以日降水≥10 mm作為一次大降水，日降水量≥25 mm為暴雨。根據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)可能最大暴雨圖集》，查出本流域年最大24小時設(shè)計暴雨，H24=11.5 mm，再從“年最大24小時雨量變差系數(shù)等值線圖”查出本流域CV=0.75，CS/CV=3.5，推求流域不同頻率24小時點雨量值，然后用時面深曲線查出點面折算系數(shù)，H面=0.99H點，用折算系數(shù)轉(zhuǎn)換成各頻率的面雨量。查P-Ⅲ曲線模比系數(shù)表，頻率P=0.2%，Kp=5.38，計算得500年一遇點、面雨量分別為62 mm、61.4 mm。

（2）面雨量時程分配

根據(jù)《新疆可能最大暴雨圖集》，上游中心多年平均24 h暴雨量H24=11.5 mm，從“天山北坡區(qū)概化雨型”圖上摘錄雨量時程分配，并推求其與各種頻率的面雨值的乘積，即將各種面雨量的逐時的設(shè)計面雨量過程，計算結(jié)果見表1。

表1 設(shè)計流域五百年一遇面雨量時程分配表

（3）產(chǎn)、匯流計算

根據(jù)面雨量時程分配過程，可初步假設(shè)各種頻率產(chǎn)流歷時tc為3小時，求出相應(yīng)的各種頻率產(chǎn)流凈毛雨量Ptc為6.437 mm，凈雨總量為19.31 mm，再用tc和Ptc值在《中小流域設(shè)計暴雨資料圖集》中查出產(chǎn)流期平均損失率f值為8.96 mm；用f值去切割面雨量過程，徑流系數(shù)α為0.278，經(jīng)計算，渣場前五百年一遇暴雨洪水產(chǎn)、匯流洪峰流量44.6 m3/s。

3.2 推理公式法

推理公式如下：

式中：Qm為洪峰流量，m3/s；h為在全面匯流時代表相應(yīng)于τ時段的最大凈雨，mm；F為流域面積，57.24 km2；τ為流域匯流歷時，5h；m為匯流參數(shù)，北方干旱無資料地區(qū)根據(jù)θ值不同，m值變化在1.0～1.8之間，取0.709；L為沿主河道從出山口斷面至分水嶺的最長距離,13 km；J為沿流程L的平均比降，23.3‰；θ為L/J1/3，16.55。

以上地形參數(shù)從1/10萬地形圖上量算而得。根據(jù)參數(shù)使用推理公式計算程序，分別計算洪峰流量，計算出區(qū)域500年一遇洪峰流量為126 m3/s。

3.3 推薦計算成果分析

前面用了兩種方法進行工程場址區(qū)暴雨洪水計算，推理公式是一種暴雨成因推理分析與經(jīng)驗相關(guān)分析相結(jié)合的方法，但其中的產(chǎn)、匯參數(shù)是由水文軟件中查算，由于本地區(qū)缺乏實測資料，參數(shù)的選取具有一定經(jīng)驗性。調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法是選擇不同地區(qū)的暴雨類型和設(shè)計暴雨，進行洪水計算。推理公式法500年一遇洪峰流量為126 m3/s，調(diào)蓄經(jīng)驗法500年一遇洪峰流量為44.6 m3/s，兩種方法計算的結(jié)果相差較大，這主要是因為在工程場址缺乏暴雨資料，計算時所依據(jù)的參數(shù)為可能最大暴雨圖集查的，存在不確定性，所以計算結(jié)果偏小。考慮工程的安全性和偏于安全的取值要求，推薦推理公式法計算成果，這也是考慮到設(shè)計流域下墊面、流域面積、河長、坡降等特征值，也符合小流域的暴雨洪水規(guī)律。

4 工程場址設(shè)計洪水位推求

4.1 渣場前洪水行洪路線說明

本次洪水大斷面選擇在渣場前50 m處，大斷面布設(shè)（東西方向）測量寬度為820 m，斷面無明顯起伏變化。由于洪水在荒漠戈壁地帶呈顯到處漫流狀態(tài)，加之無固定洪水控制斷面，所以首先應(yīng)考慮暴雨洪水對工程最為不利的情況下，即假定渣場以上區(qū)域發(fā)生500年一遇暴雨，洪峰流量為126 m3/s時，洪水集中后在到達渣場前50 m左右已分流行洪,再經(jīng)過渣場背后兩條支流匯合流向下游，從火焰山缺口出流。根據(jù)大斷面測量成果，分流后主流在渣場東側(cè)，西側(cè)略小。經(jīng)過分析計算500年一遇洪水洪峰流量渣場東側(cè)為75.6 m3/s，西側(cè)為50.4 m3/s，渣場背后兩條支流匯合處洪峰流量仍為126 m3/s。

4.2 設(shè)計洪水位推求

4.2.1 建立斷面水位流量關(guān)系

在野外勘測的基礎(chǔ)上，依據(jù)實測大斷面和上、下游各500 m河段實測河床縱比降成果，同時合理分析取用斷面河床質(zhì)的糙率，采用曼寧公式分別計算不同水位的相應(yīng)流量，從而建立水位流量關(guān)系。實測大斷面圖及水位流量關(guān)系推算見圖1～圖2。

圖1 渣場前（北側(cè)）50 m實測大斷面圖

圖2 渣場前（北側(cè)）50 m水位流量關(guān)系圖

4.2.2 水位流量關(guān)系及設(shè)計洪水位計算

依據(jù)實測大斷面成果，分別計算不同水位的水力半徑和斷面面積，用實測的水面比降、分析得出的糙率，采用曼寧公式推出不同水位的相應(yīng)流量，從而建立各斷面的水位流量關(guān)系，并給出相應(yīng)的500年一遇設(shè)計洪水水位。渣場各斷面設(shè)計洪水位計算成果見表2。

表2 渣場各斷面設(shè)計洪水位計算成果

5 結(jié)論

鉻渣場建設(shè)對工程的防洪要求較高，因為水文資料缺乏，采用調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法和推理公式法分別對計算渣場500年一遇洪水，并在野外勘測的基礎(chǔ)上，對渣場的前后左右洪水位進行了分析計算。綜合各方面因素，從偏安全角度考慮，計算出工程處500年一遇洪峰流量為126 m3/s，渣場北洪水位為357.494 m，為渣場工程建設(shè)和后期管理提供了科學(xué)依據(jù)。