新建青新鐵路若羌至庫(kù)爾勒段小流域暴雨參數(shù)確定方法

張 宇

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院橋隧分處，新疆烏魯木齊 830011)

新建青新鐵路若羌至庫(kù)爾勒段小流域暴雨參數(shù)確定方法

張 宇

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院橋隧分處，新疆烏魯木齊 830011)

新建青新鐵路若羌至庫(kù)爾勒段沿線水文觀測(cè)站點(diǎn)少，建站時(shí)間短，數(shù)據(jù)不完善，給水文計(jì)算帶來(lái)一定困難。選取青新線若庫(kù)段距線路約3 km的鐵干里克氣象站1957年—2010年日最大降雨量進(jìn)行暴雨頻率計(jì)算，結(jié)合西北地區(qū)水文統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)適線分析推求設(shè)計(jì)日暴雨量。本文確定的小流域暴雨參數(shù)依據(jù)的雨量序列資料截至2010年，較由80年代編寫《壹橋8216》時(shí)所依據(jù)的資料增加近30年，計(jì)算的暴雨參數(shù)較由《壹橋8216》中的暴雨等值線圖查得的數(shù)據(jù)大25%。

青新鐵路 小流域 暴雨參數(shù) 水文頻率計(jì)算

1 青新線若庫(kù)段概況

青新鐵路若羌至庫(kù)爾勒段(以下簡(jiǎn)稱青新線若庫(kù)段)位于新疆維吾爾自治區(qū)東南部，地處新疆巴音郭楞蒙古族自治州境內(nèi)。若庫(kù)段南起塔里木盆地南緣若羌縣，北至塔里木盆地北緣庫(kù)爾勒市，主要經(jīng)過(guò)塔里木盆地邊緣及腹地。塔里木盆地位于天山、昆侖山和阿爾金山之間，為我國(guó)最大的內(nèi)陸盆地，是大型封閉性山間盆地，印度洋和西太平洋暖濕氣流難以進(jìn)入，降水量小，夏季炎熱少雨，冬季異常寒冷。

1.1 地區(qū)氣候、降水

1)氣候。若庫(kù)段線路位于塔里木盆地東南部，屬典型的大陸性干旱氣候區(qū)，為暖溫帶干旱南疆區(qū)。冬夏長(zhǎng)，春秋短促。冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)而少雪，春秋季干旱多風(fēng)沙，夏季炎熱，晝夜溫差大，日照豐富，降水少而集中且不均勻，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣候干旱多風(fēng)沙。若庫(kù)段區(qū)域內(nèi)年平均氣溫為2.9℃ ～12.5℃，極端最高氣溫為32℃～44.3℃，極端最低氣溫 -23.1℃ ～-34.3℃。年平均降水量為21.3～54.1 mm，年最大降雨量為69.7～117.0 mm，年平均蒸發(fā)量2 033.3～2 900.0 mm，年最大蒸發(fā)量2 455.1～3 300.0 mm。年均風(fēng)速為1.4～3.2 m/s，年平均大風(fēng)日數(shù)(≥8級(jí))9～43 d，最大定時(shí)風(fēng)速13.3～26.0 m/s，最大瞬時(shí)風(fēng)速 22.7～32.7 m/s，最大積雪厚度4～18 cm。

2)降水。線路沿線各段降水差異較大，總的分布特點(diǎn)是：北部多，南部少;山區(qū)多，平原少，盆地沙漠更少;山區(qū)迎風(fēng)坡多，背風(fēng)坡少;天山山區(qū)多，阿爾金山少。塔里木盆地降水量北部一般在50～70 mm，南部一般在15～30 mm，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，空氣十分干燥。降水冬季多為降雪，夏季多為降雨，春秋季雨雪混合，因此，本地區(qū)河流均以雨雪混合型為主。

由于新疆地域廣闊，降水現(xiàn)象復(fù)雜，水文觀測(cè)站點(diǎn)分布稀少，建站時(shí)間短，且數(shù)據(jù)不完善，觀測(cè)范圍難以完全覆蓋本地區(qū)，同時(shí)，觀測(cè)值不一定代表暴雨中心降水量，特別是山區(qū)和盆地中央地帶，觀測(cè)值往往偏小，給水文分析帶來(lái)一定困難。

1.2 暴雨區(qū)域劃分

若庫(kù)段由南向北橫穿塔里木盆地，沿線根據(jù)其地形、地貌、水文、氣候等因素暴雨區(qū)域又可劃分為塔里木河沖積平原區(qū)、庫(kù)魯塔格山前洪積扇、庫(kù)魯塔格山山區(qū)。

1)塔里木河沖積平原區(qū)。主要位于本線的若羌至尉犁段，地形平坦，地勢(shì)開闊略有起伏，地勢(shì)南高北低，自然坡度2‰～5‰，海拔高程800～8 890 m。若庫(kù)段在東、西部分別有庫(kù)魯塔克沙漠和塔克拉瑪干沙漠，僅以沿塔里木河兩岸狹窄綠地帶隔開，帶寬為1～3 km，局部伴生有沙丘、沙地，植被稀疏不均。

2)庫(kù)魯塔格山前洪積扇。主要位于本線的尉犁至庫(kù)爾勒段，地形平坦，地勢(shì)開闊略有起伏，地勢(shì)北高南低，海拔950～1 010 m，相對(duì)高差5～20 m，自然坡度2‰～5‰，植被稀疏不均，沿線為戈壁礫漠地貌，局部地段分布有風(fēng)積沙。

3)庫(kù)魯塔格山山區(qū)。主要位于本線的尉犁至庫(kù)爾勒段，庫(kù)魯塔格山為天山的一個(gè)分支，位于焉耆盆地和孔雀河谷地之間，東西長(zhǎng)超過(guò)400 km，南北寬約40～60 km，地勢(shì)西高東低，包括兩組山地，北部山地一般高1 500～2 500 m，最高峰西大山海拔2 782 m;南部山地為短小山脊，如興地山，海拔高度在2 000 m以下。兩組山地向東均為海拔1 100～1 300 m的低山丘陵所替代。整個(gè)山體飽經(jīng)剝蝕，使得山勢(shì)平緩，分水嶺圓緩低矮，沖溝切割不深，基巖裸露，山體表面的基巖物理風(fēng)化強(qiáng)烈，裸露基巖多為碎石狀，局部地勢(shì)較為陡峻。山間凹地、溝谷較發(fā)育，植被主要為梭梭，地表植被覆蓋度一般為15%～30%。區(qū)內(nèi)山峰無(wú)常年積雪，除興地河外無(wú)常年流水。

2 青新線若庫(kù)段小流域暴雨計(jì)算

2.1 暴雨參數(shù)選擇與計(jì)算方法

2.1.1 雨量資料的收集與選樣

對(duì)線路通過(guò)地段，收集該區(qū)域內(nèi)的水文站、氣象站的自記雨量和定時(shí)觀測(cè)的雨量資料，充分了解該地區(qū)的暴雨特性、成因、暴雨路徑等水文氣象特征，以便對(duì)該地區(qū)暴雨參數(shù)的定性、定量分析提供依據(jù)。

將收集到的雨量資料經(jīng)分析、篩選后，整理出統(tǒng)計(jì)樣本，常用的選樣方法有兩種：

1)年最大值法。在每個(gè)站，每一年內(nèi)根據(jù)所要求的不同時(shí)段，選取各時(shí)段的年最大值，組成一個(gè)n年系列統(tǒng)計(jì)樣本。

2)超定量法。凡每站年內(nèi)時(shí)段雨量超過(guò)一定量級(jí)時(shí)都選取。

2.1.2 統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析

統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析按年最大值法，挑選歷年各時(shí)段(10～1 440 min)最大降雨量組成一個(gè)樣本系列，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，并將頻率曲線外延，推求各個(gè)時(shí)段指定頻率的暴雨強(qiáng)度。

經(jīng)驗(yàn)頻率估算：將歷年各時(shí)段雨量按大小順序排列，按下列公式計(jì)算樣本系列的經(jīng)驗(yàn)頻率

式中，P為等于或大于某一量級(jí)雨量的經(jīng)驗(yàn)頻率，m為等于或大于某一量級(jí)雨量的出現(xiàn)次數(shù)，n為系列長(zhǎng)度。

樣本系列的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)計(jì)算公式為

式中：Hp為系列中雨量均值;Hi為系列中一般年份的雨量值;n為實(shí)測(cè)系列總年份;σ為標(biāo)準(zhǔn)差;Cv為變異系數(shù);Cs為偏差系數(shù);Ki=Hi/Hp，為模比系數(shù)。

2.1.3 經(jīng)驗(yàn)頻率曲線繪制

在普通直角坐標(biāo)方格紙上，點(diǎn)繪經(jīng)驗(yàn)頻率曲線呈S形，曲線上部急劇上升或下部急趨下降，將曲線外延尋找較小頻率流量時(shí)，任意性較大，而曲線外延值正是設(shè)計(jì)需要的重要數(shù)據(jù)，為改善曲線外延值準(zhǔn)確性，應(yīng)使用海森機(jī)率格紙。在海森機(jī)率格紙上，以日最大降雨量為縱坐標(biāo)，以經(jīng)驗(yàn)頻率為橫坐標(biāo)，點(diǎn)繪出各經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù)。頻率曲線一般選用皮爾遜Ⅲ型曲線作為適線和外延曲線。

2.1.4 Cs和Cv關(guān)系確定

利用式(4)計(jì)算Cs時(shí)，必須有百年以上的樣本，才能獲得較滿意的結(jié)果。實(shí)際工作中很難有百年以上的樣本，故采用Cs為Cv某一倍的數(shù)值，再通過(guò)適線加以確定。在西北地區(qū)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)及曲線適配，當(dāng)Cs=3.5Cv時(shí)較為合理。

2.1.5 Cv取值

對(duì)于統(tǒng)計(jì)樣本系列中特大值Cvn的判定標(biāo)準(zhǔn)，在西北地區(qū)判定方法為：Cvn≥0.35，Hmax/Hp＞［0.6+(2.9+0.05n)Cvn］，其中Hmax為系列中最大雨量，凡同時(shí)符合上述條件者，即按最大值處理。

2.2 青新線若庫(kù)段暴雨計(jì)算

鐵干里克氣象站位于北緯40.63°，東經(jīng)87.7°，距離線路右側(cè)約3 km。通過(guò)對(duì)鐵干里克氣象站日最大降水量的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，所確定的百年一遇暴雨參數(shù)，對(duì)于本線若羌至尉犁段具有較強(qiáng)的代表性。

1)首先將收集到的雨量資料經(jīng)分析、篩選后，整理出統(tǒng)計(jì)樣本。

2)利用式(1)，計(jì)算出經(jīng)驗(yàn)頻率P。本文收集了鐵干里克氣象站自1957年—2010年的日最大降水量資料，根據(jù)此資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。分析結(jié)果見(jiàn)表1。

3)根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算得：Hp=11.91 mm;σ=8.1 mm;Cv=0.676 9;Cs=3.5Cv。

4)適線分析結(jié)果見(jiàn)圖1。經(jīng)試算，采用Cv=0.68，Cs=3.5Cv較為合理。通過(guò)查《橋渡水文》手冊(cè)，可確定P=1%時(shí)，相應(yīng)的系數(shù)KP=3.58。

5)由適線確定單站的各時(shí)段統(tǒng)計(jì)參數(shù)后，指定時(shí)段的設(shè)計(jì)暴雨量 Ht，p=KPHp，則設(shè)計(jì)日暴雨量 H日，1%=42.6 mm。

6)利用日暴雨量求暴雨參數(shù)SP，采用的計(jì)算公式為 SP=KH日，1%× 24n2－1，其中，K 為系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般為1.10～1.25，n2為暴雨強(qiáng)度衰減指數(shù)。結(jié)合本線地形地貌，K取1.13，n2取0.8，則可得設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)S1%=25.5 mm/h。

表1 鐵干里克站歷年日最大降水量統(tǒng)計(jì)分析

圖1 鐵干里克氣象站歷年日最大降水量頻率曲線

3 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)鐵干里克氣象站資料計(jì)算出的S1%=25.5 mm/h，由鐵一院編寫《壹橋8216》中的暴雨等值線圖查得S1%=20 mm/h，比計(jì)算結(jié)果小，主要原因?yàn)殍F一院編寫的《壹橋8216》完成于80年代，收集資料序列較短，而本次收集的雨量資料至2010年，雨量序列資料增加近30年，所以本次分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。對(duì)于本地區(qū)而言，暴雨洪峰對(duì)線路危害較大，結(jié)合線路所處的地形、地貌，地區(qū)的暴雨特性、成因、暴雨路徑等，最終確定S1%=25 mm/h。

2)本文雖然確定了流域面積＜100 km2的百年洪峰流量的暴雨參數(shù)計(jì)算方法，但是由于測(cè)量資料匱乏，沒(méi)有＜1 h和1～6 h的降雨資料，無(wú)法驗(yàn)證衰減指數(shù)。下一步還需要進(jìn)一步驗(yàn)證，以便使暴雨參數(shù)計(jì)算更加準(zhǔn)確。

［1］鐵道部第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院.橋渡水文［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1993.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.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.

［3］鐵道部第一設(shè)計(jì)院，中國(guó)科學(xué)院地理研究所，鐵道部科學(xué)研究院西南所.小流域暴雨洪峰流量計(jì)算［M］.北京：中國(guó)科學(xué)出版社，1978.

［4］鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.壹橋8216［S］.蘭州：鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院，1984.

［5］陳勇.沈哈客運(yùn)專線橋涵水文計(jì)算分析［J］.鐵道建筑，2007(2)：7-9.

［6］金發(fā)良.通霍鐵路既有線水害原因分析及對(duì)策研究［J］.鐵道建筑，2011(3)：76-79.

U442.5+8

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2013.05.09

1003-1995(2013)05-0029-03

2012-10-11;

2013-03-05

張宇(1977— )，男，新疆烏魯木齊人，工程師。

(責(zé)任審編 李付軍)