奎屯-獨山子工業園南區設計洪水參數確定

肖 兵

(新疆水利水電項目管理有限公司，烏魯木齊 830000)

1 概 述

城市洪水會造成嚴重的經濟損失，甚至是人員傷亡事件，對城鎮發展產生不利影響[1-3]。因此，提前做好防洪規劃，充分考慮洪水參數，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，區域內主要河流為精河、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獨山子東防洪堤，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

以擬建防洪壩為界，將奎屯-獨山子工業園南區的防洪區域分為上下兩部分。

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

2) 下游為擬建防洪壩以北至312國道。防洪區域面積為20 km2，規劃開挖3條排洪溝。利用312國道、烏奎高速及北疆鐵路的過水設施，將洪水疏導穿過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 參證站數據分析

流域范圍內參證站概況見表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，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差積曲線圖

3.3 不同長度降水系列統計參數誤差分析

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，進行統計參數相對誤差分析。見表2。

表2 不同長度最大一日降水量統計參數誤差計算表

由表2可見，隨著系列長度的增加，系列統計參數穩定，50年的最大一日降水資料具有較好的代表性。

4 設計洪水

按照奎屯-獨山子工業園區防洪規劃要求，本次防洪任務主要是奎屯-獨山子工業園區以南至獨山子東防洪堤區間的暴雨洪水。根據設計需要，把奎屯-獨山子工業園南區分為兩個區進行設計洪水的計算，即擬建石化工業園防洪堤以上區域及以下區域。

4.1 防洪壩以上設計洪水

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，項目區內沖溝遍布，數量較多，各沖溝平時為干溝，只有發生暴雨時才有洪水，規劃區無任何洪水資料，因此項目區洪水計算方法只能按無資料地區洪水計算方法進行。調查洪溝較多，間隔距離較近，故選取5處控制節點(即0+500、2+000、4+000、6+000、8+000樁號)計算洪峰流量，每節點控制區域內洪峰流量之和為節點處洪峰流量。

4.1.1 地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法

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

圖3 洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線圖

設計斷面洪峰流量值計算公式如下：

Qp=Kp×Qd/Kd

(1)

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

歷史洪水重現期定51年，Kp值見表3；設計洪水成果見表4。

表3 設計洪峰流量計算參數及Kp-P表

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

4.1.2 經驗公式法

由于節點斷面洪水主要為獨山子防洪壩以下的坡面匯水，根據實地踏勘，洪水痕跡不大，沒有較大的沖溝。使用無資料地區小流域設計洪水，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，取0.30；n為面積修正指數，取0.60。

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

表5 防洪壩以上防洪節點斷面設計洪峰流量成果表(經驗公式法) /m3·s-1

4.2 防洪壩以下園區設計洪水

城區排澇系統是防止雨水徑流危害城區安全的主要設施，防止城市范圍內雨水或超標準暴雨形成洪水，對城市造成危害。

4.2.1 園區設計暴雨

采用矩法對系列統計參數進行估算，經P-Ⅲ頻率曲線適線(圖4)，得到奎屯市氣象站設計最大一日降水量，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 奎屯市氣象站設計最大一日降水量成果表

統計奎屯市氣象站1958-2007、1989-2007年最大一日降水量，以及獨山子氣象站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山子氣象站短系列降水資料進行長短系列訂正，計算公式為：

P獨長=P獨短/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。

經計算，得到獨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計參數Cv=0.60、Cs=6Cv，計算得到獨山子氣象站不同頻率設計最大一日降水量，其成果見表7。

表7 獨山子氣象站最大一日降水量頻率計算成果表

4.2.2 園區設計暴雨雨強計算

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

表8 獨山子氣象站最大24 h降水量頻率計算成果表

表9 獨山子氣象站設計暴雨雨強計算成果表

4.2.3 園區設計洪水計算

市區設計洪水計算公式為：

Qmp=0.278·Cm·Ip·A

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

按新建奎屯-獨山子工業園南區規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，園區內擬建3條排洪渠，從西向東將園區依次分為4個小分區。據分區排水面積及設計暴雨雨強資料，計算得到各分區設計洪峰流量，其成果見表10。

表10 奎屯-獨山子工業園區設計洪水計算成果表 /m3·s-1

4.3 設計洪水成果合理性分析與檢查

4.3.1 設計洪水成果合理性分析

根據實地調查，威脅工業園南區的洪水是由于強降雨而形成的暴雨洪水。

結合以上分析成果可以看出，綜合頻率曲線法計算值大于經驗公式法結果。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 市區設計洪水成果合理性分析

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

5 結論與建議

5.1 結 論

奎屯-獨山子工業園南區為暴雨多發區，易形成暴雨洪水，沖壞公路、民房及農田，災害比較突出。防洪規劃工程實施后，可徹底根治水害，改善環境，繁榮園區經濟。

對洪水傳播以及城區內雨洪的研究，由于資料的局限性，在城市防洪實施中，對非工程措施應足夠重視，以保證防洪效益發揮。

5.2 建 議

對園區危害最為嚴重的是暴雨洪水，工業園區以南的防洪壩是治理此類型洪水的主要防洪設施，要加強對防洪壩及防洪設施的保護力度，應經常性地對防洪壩進行護理，嚴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。