柴窩堡白楊溝洪水分析計算

劉乃祥

(烏魯木齊水文勘測局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 流域概況

1.1 自然地理

白楊溝位于烏魯木齊市達坂城區(qū)，屬于柴窩堡湖非常重要的水源之一，在地理位置方面來看，在河流西方有著三個主要的山河，河流北方是天山北坡，河流南側(cè)平原，平原表面有傾斜的特點，在河流下游是非常著名的柴窩堡湖。白楊溝地理位置示意圖見圖1。

圖1 白楊溝地理位置示意圖

在河流水系方面來看，白楊溝的源頭是博格達峰，在源頭有大面積的冰川，河流整體長度為26.5 km，河道內(nèi)部的平均比降是10‰。通過計算，白楊溝平均年徑流量是0.26×108m3，在每年的6月～8月之間，水量會出現(xiàn)明顯增長態(tài)勢。白楊溝整體河面展開，河灘具有開闊特點，實際的坡降隨著時間變化減小，同時也是附近居住民的主要生活水源之一。

1.2 氣候特征

白楊溝流域地處歐亞大陸腹地，呈現(xiàn)溫帶大陸荒漠干旱氣候的特點。降水量年際變化大，季節(jié)性分配不均勻，多集中在春、夏兩季。以烏魯木齊氣象站為代表站，統(tǒng)計67年氣象資料。多年平均降水量為235 mm；多年平均氣溫為6.5℃；多年平均蒸發(fā)量為2291 mm(20 cm口徑蒸發(fā)器)；多年平均風速2.55 m/s；最大凍土深度1.62 m。

2 水文資料

白楊溝流域無水文站，為滿足本次分析計算的要求，選取了阜康白楊河水文站作為參證站，該水文站觀測項目有水位、流量、懸移質(zhì)輸沙率、水溫、降水量、蒸發(fā)量、氣溫等。

在進行洪水研究過程中，參證站水文測試結果良好，資料整編方面較為規(guī)范，整個過程都是按照程序進行測算的，通過統(tǒng)一編制得出最終數(shù)據(jù)。研究中對所有數(shù)據(jù)都進行了全面復核，資料數(shù)據(jù)具有可靠性和穩(wěn)定性。在進行一致性分析過程中，對實際情況造成影響的主要因素有人文活動、區(qū)間飲水以及斷面計算情況等，在現(xiàn)實的角度來講，遷移距離之間沒有任何的支流融入，在進行斷面測試中沒有受到人員活動的影響，使用的洪水資料具有一致性。

3 洪水成因及類型

洪水成因錯綜復雜，本文通過實際的研究得出白水溝洪水形成的主要原因為暴雨、洪水和冰川融水等，在洪水類型方面主要出現(xiàn)了消融型洪水和混合型洪水等不同類型。消融型洪水指的是跟一般的洪水特征具有一定的相似性，對于固定的斷面也能找出一定規(guī)律，洪水會隨著氣溫和冰川面積的變化發(fā)生改變，在一般的情況下，洪水規(guī)模相對較小，實際的特點表現(xiàn)也沒有發(fā)生很大變化，洪量和洪峰之間有著直接關系。混合型洪水是暴雨和其他類型的洪水進行混合，洪水發(fā)生的主要階段在6月～8月份之間，受到附近環(huán)境和天氣等方面的影響，水面會逐漸提升，水流量也會快速增加，洪水流量時間相對較長，同時也構成了嚴重的洪水災害[1]。

4 設計暴雨計算

設計暴雨計算采用頻率分析法，采用烏魯木齊氣象站67年最大一日降水量系列資料作頻率曲線，推算出不同頻率設計最大一日降水量。點面折算系數(shù)采用1.0，將最大一日暴雨乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)，求得最大24小時暴雨均值。轉(zhuǎn)換系數(shù)采用全區(qū)統(tǒng)一值1.13。表1顯示了最終的計算結果。烏魯木齊氣象站最大一日降水量頻率曲線見圖2。

表1 設計暴雨計算成果表

圖2 烏魯木齊氣象站最大一日降水量頻率曲線圖

5 設計洪水計算

該地區(qū)在進行洪水計算時，無相關水文資料，為滿足實際計算需要，需采用多種不同的計算方法，對結果進行綜合分析，選取符合實際要求的計算結果。本次計算方法采用單位線法、推理公式法[2]和水文比擬法。

5.1 單位線法

本文首先介紹了近距離逐時雨量的研究情況，根據(jù)典型雨型逐時雨量分配百分比，推求其與各頻率面雨量的實際乘積，得到逐時設計面雨量過程，這就是頻率段逐時雨量的計算方法。設產(chǎn)流量持續(xù)時間和平均損失率分別為t和f，從而得出實際降雨量為Ptc，驗證了該方法的可行性。

所用計算公式是：

(1)

R凈=Ptc-f×tc

(2)

在設定參數(shù)為tm的情況下，那么漲洪時段就為n，在這種情況下進行匯流計算時段Δt。使用式(3)可以得出線公比b[3]。

(3)

將Δt階段產(chǎn)生的凈雨量轉(zhuǎn)換成流量Ii可以得出公式(4)。

(4)

Ii乘以u值，當基流和洪水線明確時，洪峰與降水量最大值可以相互轉(zhuǎn)換，從而可以說明實際的徑流過程，并可以計算出一天的洪量。

本文通過實際的計算，得出斷面設計洪峰流量成果見表2。

表2 斷面設計洪峰流量成果表

5.2 推理公式法

在使用推理公式法進行洪水量推算過程中，需要使用下列基本公式：

(5)

(6)

(7)

式中：Qmp代表的為設計中的實際洪峰流量，m3/s；Sp表示的為設計中的實際雨力，mm/h；τ表示的為設計的中匯流經(jīng)歷時間，h；n表示的為現(xiàn)實環(huán)境中暴雨衰減指數(shù)狀態(tài)；μ表示的為降雨過程中產(chǎn)生的平均耗損率，mm/h；tc表示的為雨水流轉(zhuǎn)歷時，h；m表示的為雨水匯流參數(shù)；F表示的為洪水流域面積，km2；L表示的為主河出發(fā)到沿線之間最長的距離，km；j表示的為平均比降，平均比降需要通過小數(shù)的方法進行計算。

這就要求在計算時，既要注意匯流狀態(tài)，也要注意分流狀態(tài)，當tc<τ時為匯流狀態(tài)，當tc<τ時為完全匯流狀態(tài)。計算過程中，應以實際流域為基礎，選取一定的計算區(qū)域進行計算，具體得到的參數(shù)見表3[4]。

表3 小流域情況下條件分類表

將以上參數(shù)及烏魯木齊氣象站最大24 h設計降水量代入公式，得出斷面設計洪峰流量成果見表4。

表4 斷面設計洪峰流量成果表

5.3 水文比擬法

采用水文比擬法時，以阜康白楊河水文站作為參證站，繪制出符合實際情況的頻率曲線，并通過該方法確定洪峰流量參數(shù)，圖3為參證站洪峰流量頻率曲線，計算結果見表5。

圖3 參證站洪峰流量頻率曲線圖

表5 參證站洪峰流量成果表

水文比擬法計算公式如下：

Qs=(Fs/Fc)n×QC，n=2/3

式中：QS、QC分別為設計流域和參證站洪峰流量，m3/s；Fs、FC分別為設計流域和參證站集水面積，km2。

運用水文比擬法時，流域面積對最終計算結果有直接影響，因此，對流域面積的確定具有重要意義，設計時應根據(jù)計算結果對實際情況進行修正，并可根據(jù)修正后的公式計算出實際洪峰流量。根據(jù)公式計算得出斷面設計洪峰流量成果見表6。

表6 斷面設計洪峰流量成果表

6 設計洪水合理性分析及結果建議

6.1 單位線法

由于沒有準確的觀測資料，因此在試驗中采用了實測降水資料，但由于受許多外部因素的影響，在24小時內(nèi)得出的降水資料也是由轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)化而成，不能從實際角度確定準確的降水量。本試驗所用的數(shù)據(jù)圖和產(chǎn)流圖都有一定的隨意性，因此需要引起重視，本試驗方法不推薦。

6.2 推論公式法

運用推理公式法時，需要在初期對流域和洪水洪峰等多個因素進行分析，同時也要考慮暴雨設計、區(qū)域面積、河長和河道寬度等多個因素，這些因素相互影響，加之測度方面的差異，造成推理結果的偏差，穩(wěn)定性和適應性方面存在嚴重不足，因此也不推薦采用。

6.3 水文比擬法

用水文比擬法可利用精確的洪峰流量，對流域及有關參數(shù)、流域面積等問題進行修正，得到精確的洪峰流量。與前兩種方法相比，該方法更安全、更穩(wěn)定。故推薦使用該方法計算的設計洪峰流量成果。

7 結論

本文針對白楊溝基礎資料進行了收集，最后針對工程區(qū)域涉及到的洪水進行了分析計算，通過研究得出使用水文比擬法更加合理。白楊溝是山區(qū)型河流，洪水漲落急劇。本文結合水文氣象概況，計算得到了不同頻率下設計洪水，本次設計成果符合該地區(qū)暴雨洪水特點，設計洪水成果基本合理。