烏倫布拉克河偏遠山區小河流水文分析

嚴志剛

(五家渠農六師勘測設計研究有限責任公司，新疆 五家渠 831300)

洪水災害是重大自然災害之一。目前，我國每年由于洪水災害產生的經濟損失十分慘重。為避免河道發生洪水災害，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，避免出現影響河道宣泄狹窄的河段，減輕洪水災害。為保護沿河道路、牧草地及公共設施。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行計算分析。

1 工程概況

烏倫布拉克河屬于山溪性河溝，發源于北塔山西部山區，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。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烏倫布拉克一道壩由暗渠引入的卡哈提河水，此區域地勢起伏不大，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，流經丘陵區、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，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立于2014年，其水文資料年限短，不適于作為洪水計算依據，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生洪水的主要原因，具有明顯的季節性特點，主要發生在春季和夏季。春季氣溫升高，山頂積雪消融，進而發生洪水；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年連續完整的實測洪水資料，系列較長。針對小青河站的設計洪峰流量采用頻率分析法進行計算。根據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，首先運用矩法對最大洪峰流量系列的統計參數進行估算，然后以此為基礎，應用適線法對P-Ⅲ型頻率曲線進行選配，以此推算小青河站設計洪峰流量。小青河設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行分析，以此來指導防洪設計。一般情況下，推理公式法是小流域由暴雨資料推求設計洪水的方法之一，通常在流域集水面積應小于300 km2的情況下適用。而當無資料或缺少資料的時候，面積比擬法則是解決小流域設計洪水流量計算時最實用的方法之一，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。

根據山洪溝道的分布位置，將研究河段流量變化分為兩段進行設計洪水的分析計算，第一段：起點樁號0+000～樁號2+500段，經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

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

根據式（1）計算研究河段設計洪峰流量，結果見表1。

表1 烏倫布拉克河研究河段設計洪峰流量（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據來計算小流域洪水量的基本手段之一。設計暴雨計算采用北塔山氣象站1986年～2012年最大1日降雨量觀測統計資料。北塔山氣象站位于烏倫布拉克河流域內，該站成立于1957年10月，海拔高程1653.7 m，為我國西北地區基本站，北塔山氣象站設計暴雨資料見表2。

設計最大24小時點降雨量采用下式計算：

設計最大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，取K1=1.13；H24為最大24小時面降雨量，mm；K2為最大24小時點、面降雨量折算系數，取K2=1.01（由于北塔山氣象站所在高程為1653.7 m，項目區高程在1757 m～2258 m范圍，上游產流區高程均大于1653.7 m，所以點面雨量換算系數應該大于1，故取為1.01）。

表2 北塔山氣象站設計暴雨資料

依據國家行業標準《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL44-2006）及《水利水電工程設計洪水計算手冊》等參考技術數據，并結合該流域的下墊面條件情況，分別選用不同的參數，采用推理公式法，推算治理河段設計洪峰流量。計算公式如下：

式中：Qm為設計洪峰流量（m3/s）；ψ為洪峰徑流系數；Sp為設計頻率的雨力（mm/h）；τ為匯流時間（h）；tc為產流時間（h）；m 為匯流參數(可根據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；μ為產流參數（入滲率，mm/h）；n為暴雨衰減指數。

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。土壤下滲強度μ值由山洪溝洪水調查中的土壤實地情況，采用以下公式計算：

式中：R為損失系數；r1為損失指數，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。損失參數可根據山洪溝當地土壤的實際具體情況，然后查閱《小流域暴雨洪峰流量計算》表分析得出。根據研究河段雨洪及其河道性質、不同區域土壤植被的特征等資料，結合該河段地處深山，其植被稀疏，而且流域內在夏季時有小雨，所以地面前期土壤干旱，取R=1.08，r1=0.75。

根據北塔山氣象站多年實測年最大1日降水量頻率計算設計成果，按下式計算設計雨力：

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，因當地各站小于1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m是反映流域下墊面特性的綜合性參數，在無資料地區采用地區綜合法。計算采用設計洪水規范所列的m值計算方法，首先根據式（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計洪峰流量（推理公式法）

4 設計洪水結果對比分析

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計洪水，分別推算出的兩種設計洪峰流量計算成果如表1和表3所示。經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果則大于采用推理公式得出的結果。

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域的相關實驗分析數據，只能借用其它地區的實驗分析數據。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，故研究河段的設計洪峰流量采用推理公式法的計算結果作為設計依據。

5 結語

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據資料來源。因此，利用臨近流域小清河水文站作為參證站計算設計洪峰流量，然后以此為基礎采用面積比擬法估算研究河段設計洪峰流量。此外，還利用北塔山氣象站降雨量數據為基礎，采用推理公式法計算了研究河段設計洪峰流量。對兩種方法估算的洪峰流量進行比較發現，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果則較大。鑒于安全考慮，研究河段的設計洪峰流量采用推理公式法的計算結果作為設計依據。