奎屯-獨(dú)山子工業(yè)園南區(qū)設(shè)計洪水參數(shù)確定

肖 兵

(新疆水利水電項目管理有限公司，烏魯木齊 830000)

1 概 述

城市洪水會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至是人員傷亡事件，對城鎮(zhèn)發(fā)展產(chǎn)生不利影響[1-3]。因此，提前做好防洪規(guī)劃，充分考慮洪水參數(shù)，保證防洪工程安全、有效是十分必要的。

奎屯市地處天山北麓，區(qū)域內(nèi)主要河流為精河、四棵樹河、奎屯河、八音溝河、瑪納斯河、塔西河。已建防洪工程有：①獨(dú)山子?xùn)|防洪堤，全長9.2 km；②奎屯市東郊排洪渠，全長7.55 km；③奎屯市東一支防洪堤，全長3.1 km；④奎屯市東一支防洪渠，全長4.5 km。

2 防洪工程分區(qū)

以擬建防洪壩為界，將奎屯-獨(dú)山子工業(yè)園南區(qū)的防洪區(qū)域分為上下兩部分。

1) 上游為擬建防洪壩以南至獨(dú)山子?xùn)|防洪堤，間隔約4 km，獨(dú)山子?xùn)|防洪堤于1982年由獨(dú)山子修建，長約9.2 km，將獨(dú)山子南部山區(qū)洪水集中導(dǎo)入東郊排洪溝，擬建防洪堤防治兩防洪堤之間區(qū)域洪水，防洪區(qū)域面積為27.7 km2。

2) 下游為擬建防洪壩以北至312國道。防洪區(qū)域面積為20 km2，規(guī)劃開挖3條排洪溝。利用312國道、烏奎高速及北疆鐵路的過水設(shè)施，將洪水疏導(dǎo)穿過312國道、烏奎高速及北疆鐵路。擬建排洪溝1將洪水排至東排洪渠后最終匯入泉溝水庫；擬建排洪溝2與擬建排洪溝3洪水排至東郊排洪溝。

3 參證站數(shù)據(jù)分析

流域范圍內(nèi)參證站概況見表1。

表1 參證站資料概況一覽表

3.1 參證站均值穩(wěn)定性分析

以奎屯市氣象站為參證站，用最大一日降水量資料對奎屯市洪水進(jìn)行代表性分析。繪制奎屯市氣象站最大一日降水量模比系數(shù)累積均值曲線，見圖1。

由圖1可知，最大一日降水量累積均值曲線變幅隨時間的增長而減小，模比系數(shù)累積均值曲線逐漸趨近于1，奎屯市氣象站50年最大一日降水系列均值具有較好的收斂性。

圖1 奎屯市氣象站最大一日降水量模比系數(shù)累積均值曲線圖

3.2 參證站差積曲線分析

從圖2中可知，降水量的年際變化過程可分為5個時段，即1958-1962年為多降水段、1963-1967年為少降水段、1968-1972年為多降水段，之后降水量多少交替出現(xiàn)，2001-2007年為多降水段。

圖2 奎屯市氣象站最大一日降水量模比系數(shù)差積曲線圖

3.3 不同長度降水系列統(tǒng)計參數(shù)誤差分析

選取奎屯市氣象站最大一日降水量系列不同長度，每5年一個時段，進(jìn)行統(tǒng)計參數(shù)相對誤差分析。見表2。

表2 不同長度最大一日降水量統(tǒng)計參數(shù)誤差計算表

由表2可見，隨著系列長度的增加，系列統(tǒng)計參數(shù)穩(wěn)定，50年的最大一日降水資料具有較好的代表性。

4 設(shè)計洪水

按照奎屯-獨(dú)山子工業(yè)園區(qū)防洪規(guī)劃要求，本次防洪任務(wù)主要是奎屯-獨(dú)山子工業(yè)園區(qū)以南至獨(dú)山子?xùn)|防洪堤區(qū)間的暴雨洪水。根據(jù)設(shè)計需要，把奎屯-獨(dú)山子工業(yè)園南區(qū)分為兩個區(qū)進(jìn)行設(shè)計洪水的計算，即擬建石化工業(yè)園防洪堤以上區(qū)域及以下區(qū)域。

4.1 防洪壩以上設(shè)計洪水

威脅奎屯市的洪水主要是暴雨型洪水，洪水主要沿沖積扇上分布的大小沖溝下泄，項目區(qū)內(nèi)沖溝遍布，數(shù)量較多，各沖溝平時為干溝，只有發(fā)生暴雨時才有洪水，規(guī)劃區(qū)無任何洪水資料，因此項目區(qū)洪水計算方法只能按無資料地區(qū)洪水計算方法進(jìn)行。調(diào)查洪溝較多，間隔距離較近，故選取5處控制節(jié)點(diǎn)(即0+500、2+000、4+000、6+000、8+000樁號)計算洪峰流量，每節(jié)點(diǎn)控制區(qū)域內(nèi)洪峰流量之和為節(jié)點(diǎn)處洪峰流量。

4.1.1 地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法

源于奎屯市南山前數(shù)條沖洪溝的天山北坡同時也孕育了數(shù)條較大河流，本次采用參證站實(shí)測和調(diào)查資料樣本，繪制綜合頻率曲線，見圖3。

圖3 洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線圖

設(shè)計斷面洪峰流量值計算公式如下：

Qp=Kp×Qd/Kd

(1)

式中：Qp、Kp分別為設(shè)計頻率洪峰流量(m3/s)、設(shè)計洪峰流量模比系數(shù)；Kd、Qd分別為調(diào)查歷史洪水模比系數(shù)、調(diào)查歷史洪水洪峰流量值(m3/s)。

歷史洪水重現(xiàn)期定51年，Kp值見表3；設(shè)計洪水成果見表4。

表3 設(shè)計洪峰流量計算參數(shù)及Kp-P表

表4 防洪壩以上防洪節(jié)點(diǎn)斷面設(shè)計洪峰流量成果表(綜合頻率曲線法) /m3·s-1

4.1.2 經(jīng)驗公式法

由于節(jié)點(diǎn)斷面洪水主要為獨(dú)山子防洪壩以下的坡面匯水，根據(jù)實(shí)地踏勘，洪水痕跡不大，沒有較大的沖溝。使用無資料地區(qū)小流域設(shè)計洪水，即：

Q均=CFn

(2)

式中：Q均為最大洪峰流量均值，m3/s；F為流域面積，km2；C為匯流系數(shù)，取0.30；n為面積修正指數(shù)，取0.60。

式(2)中各參數(shù)根據(jù)溝槽自然地理特征及工具書中推薦值選用。由式(2)計算出各節(jié)點(diǎn)斷面平均洪峰流量，再移用地區(qū)綜合洪峰流量模比系數(shù)Kp值，計算得到各防洪節(jié)點(diǎn)斷面不同頻率設(shè)計洪峰流量，成果見表5。

表5 防洪壩以上防洪節(jié)點(diǎn)斷面設(shè)計洪峰流量成果表(經(jīng)驗公式法) /m3·s-1

4.2 防洪壩以下園區(qū)設(shè)計洪水

城區(qū)排澇系統(tǒng)是防止雨水徑流危害城區(qū)安全的主要設(shè)施，防止城市范圍內(nèi)雨水或超標(biāo)準(zhǔn)暴雨形成洪水，對城市造成危害。

4.2.1 園區(qū)設(shè)計暴雨

采用矩法對系列統(tǒng)計參數(shù)進(jìn)行估算，經(jīng)P-Ⅲ頻率曲線適線(圖4)，得到奎屯市氣象站設(shè)計最大一日降水量，成果見表6。

圖4 奎屯市氣象站最大一日降水量頻率曲線圖

表6 奎屯市氣象站設(shè)計最大一日降水量成果表

統(tǒng)計奎屯市氣象站1958-2007、1989-2007年最大一日降水量，以及獨(dú)山子氣象站1989-2007年最大一日降水量，用奎屯市氣象站長系列降水資料對獨(dú)山子氣象站短系列降水資料進(jìn)行長短系列訂正，計算公式為：

P獨(dú)長=P獨(dú)短/P奎短×P奎長

(3)

式中：P長為長系列最大一日降水量；P短為短系列最大一日降水量。

經(jīng)計算，得到獨(dú)山子氣象站多年平均最大一日平均降水量為22.4 mm，移用奎屯市氣象站降水量頻率計算統(tǒng)計參數(shù)Cv=0.60、Cs=6Cv，計算得到獨(dú)山子氣象站不同頻率設(shè)計最大一日降水量，其成果見表7。

表7 獨(dú)山子氣象站最大一日降水量頻率計算成果表

4.2.2 園區(qū)設(shè)計暴雨雨強(qiáng)計算

利用《新疆維吾爾自治區(qū)可能最大暴雨圖集》，查得獨(dú)山子概化雨型的逐時雨量分配過程，設(shè)計暴雨雨強(qiáng)，其成果見表8、表9。

表8 獨(dú)山子氣象站最大24 h降水量頻率計算成果表

表9 獨(dú)山子氣象站設(shè)計暴雨雨強(qiáng)計算成果表

4.2.3 園區(qū)設(shè)計洪水計算

市區(qū)設(shè)計洪水計算公式為：

Qmp=0.278·Cm·Ip·A

式中：Qmp為設(shè)計洪峰流量，m3/s；Cm為綜合徑流系數(shù)；Ip為設(shè)計暴雨雨強(qiáng)，mm/h；A為排水面積，km2。

按新建奎屯-獨(dú)山子工業(yè)園南區(qū)規(guī)劃中不透水面積小于排水面積的30%，洪峰流量計算取Cm=0.20，園區(qū)內(nèi)擬建3條排洪渠，從西向東將園區(qū)依次分為4個小分區(qū)。據(jù)分區(qū)排水面積及設(shè)計暴雨雨強(qiáng)資料，計算得到各分區(qū)設(shè)計洪峰流量，其成果見表10。

表10 奎屯-獨(dú)山子工業(yè)園區(qū)設(shè)計洪水計算成果表 /m3·s-1

4.3 設(shè)計洪水成果合理性分析與檢查

4.3.1 設(shè)計洪水成果合理性分析

根據(jù)實(shí)地調(diào)查，威脅工業(yè)園南區(qū)的洪水是由于強(qiáng)降雨而形成的暴雨洪水。

結(jié)合以上分析成果可以看出，綜合頻率曲線法計算值大于經(jīng)驗公式法結(jié)果。從安全方面考慮，推薦采用綜合頻率曲線法的計算成果。

4.3.2 市區(qū)設(shè)計洪水成果合理性分析

城區(qū)設(shè)計成果所采用的基礎(chǔ)暴雨資料，系國家基本氣象站的實(shí)測長系列資料，代表性較好，所用方法也通過國內(nèi)外大中城市的驗證，計算設(shè)計成果較可靠，可供工程規(guī)劃時參考使用。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié) 論

奎屯-獨(dú)山子工業(yè)園南區(qū)為暴雨多發(fā)區(qū)，易形成暴雨洪水，沖壞公路、民房及農(nóng)田，災(zāi)害比較突出。防洪規(guī)劃工程實(shí)施后，可徹底根治水害，改善環(huán)境，繁榮園區(qū)經(jīng)濟(jì)。

對洪水傳播以及城區(qū)內(nèi)雨洪的研究，由于資料的局限性，在城市防洪實(shí)施中，對非工程措施應(yīng)足夠重視，以保證防洪效益發(fā)揮。

5.2 建 議

對園區(qū)危害最為嚴(yán)重的是暴雨洪水，工業(yè)園區(qū)以南的防洪壩是治理此類型洪水的主要防洪設(shè)施，要加強(qiáng)對防洪壩及防洪設(shè)施的保護(hù)力度，應(yīng)經(jīng)常性地對防洪壩進(jìn)行護(hù)理，嚴(yán)禁在防洪溝堆放垃圾，時常清理泥沙，疏通洪溝，確保防洪堤的防洪能力。