內蒙古高原地區鐵路水文分析研究

許志強 賀艷麗

(1.中交鐵道勘察設計院有限公司，北京 100088;2.中科院建筑設計研究院有限公司，北京 1001901)

1 工程概況

內蒙古高原區主要由四大地貌組成，中部陰山山脈橫亙于內蒙古東西，山北內蒙古高原，山南部河套平原，河套以南為鄂爾多斯高原。此類地區的鐵路設計主要受到地形、地貌和沿線河流水文限制。沿線河流的設計流量和水位影響到全線線路的控制高程。如何計算流量、水位對全線的工程造價具有重要意義。

塔本陶勒蓋礦區鐵路運煤專用線(甘泉線)位于我國內蒙古自治區西北部的巴彥淖爾市、包頭市境內。項目南起包神鐵路的萬水泉南站，經包頭市的麻池鄉、全巴兔鄉、哈林格爾鄉、哈業腦包鄉后，穿烏拉山，向西北經烏拉特前旗沙德蓋工業園區、北方重工后，向西經烏拉特前旗大佘太鎮，至烏拉特中旗金泉工業園區后折向北，經烏拉特中旗海流圖鎮、川井蘇木、巴音杭蓋，北至中蒙邊境中方口岸甘其毛道，線路長354.816 km(如圖1所示)。

本地區屬典型的干旱半干旱大陸性溫帶氣候區，四季分明，冬季嚴寒漫長而少雪，春季干旱多風，夏季短促炎熱，秋季氣溫巨降，日照豐富，降水少而集中，蒸發強烈，氣候干旱多風沙。項目主要通過以下區域:河套平原區，位于鄂爾多斯高原區與陰山山脈之間的黃河河套地帶，為黃河及黃河低階地區;陰山山脈，雄偉的陰山山脈聳立于內蒙古中部的巴彥淖爾市境內，與緯度平行展布，是我國內流區與外流區的分水嶺之一，東西長千余公里，寬五十余公里;烏拉特高平原(內蒙古高原)南至陰山北麓丘陵，北至國界，由南向北傾斜，地域遼闊，地勢坦蕩，高差較小，海拔一般在900～1 500m之間，屬內蒙古高原的一部分。

2 主要河流水系特征及水文

線路沿線水系以狼山山地丘陵與烏蘭察布高原交接處為分水嶺，劃為兩個水系，起點—DK70+000為黃河水系，DK70+000—終點為內陸河水系。

黃河水系河流的地面坡度大，溝谷河系較為發育，河床迂回曲折，大部分中小型水庫修建在各條河流下游處，是山前農業的主要水源。河谷徑流主要是降雨形成，各地徑流受降雨左右，趨勢與降雨的地帶型分布一致。黃河流域地表徑流深為4～10 mm之間，多年平均地表徑流量5 973.4萬m3;多處平均地表徑流模數5 492m3/a·km2。

內陸水系河流短，比降緩，河道下切不明顯，年徑流變化率不大，年徑流小。河流流入高原內的洼地或消失在沙漠中，形成許多湖泊(淖爾)，其水源主要是降水，徑流年際及年內變化主要受降雨影響。內陸河地區地表徑流深在3 mm左右，多年平均地表徑流量為1 631.364萬m3，多年平均地表徑流模數為1 345.8m3/a·km2。

圖1 甘泉鐵路線路平面示意

線路跨越的主要黃河水系河流有:烏松圖勒河、蓿亥河(又名蘇海河)、木倫河(又名莫愣河)、石哈河、海流圖河;主要內陸水系河流有:昌吉高勒、阿爾沙圖溝、古爾班烏蘭好來等。

3 小流域河流水文計算分析

3.1 水文分析方法的選擇

本線經過的均為季節性河流，且因人煙稀少，洪水調查存在相當的困難，故采用以下3種方法確定流量:

①有觀測資料的大中河流搜集水利部門歷年流量觀測系列資料和歷史水位調查分析成果，采用當地水文計算公式及經驗證的徑流公式相互論證，結合現場具體情況確定其流量、水位。

②沒有觀測資料，但能調查到洪水位的，則采用形態斷面法及經驗證的徑流公式相互論證，推求流量、水位。

③無法調查到洪水位的河溝，則用經驗公式計算流量、水位。

3.2 設計流量的計算分析

利用狼山地區經驗公式和內蒙古地方暴雨徑流計算公式以及鐵三院暴雨徑流計算公式計算的流量，與用形態法推算出的流量進行比較分析，來確定小流域地面的暴雨徑流計算辦法和采用的有關參數是否合適。

(1)形態法

用調查所得到的歷史水位并確定頻率，根據河流的斷面和坡度計算出在這一水位時的流量，利用本地區的偏差系數(CS)、變異系數(CV)兩者之間的關系和兩次不同重現期流量，推求設計流量換算系數X(T1/T2)值，進而推求100年流量。

(2)狼山地區經驗公式

本次的勘測范圍較廣，有一大段是在狼山地區，采用狼山地區經驗公式來計算。狼山公式

式中:Qm為多年平均洪峰流量/(m3/s);F為流域面積/km2。

(3)地區公式法

本次的勘測范圍較廣，全部都是在內蒙古境內，采用內蒙古地區公式來計算。

內蒙古地區暴雨徑流計算公式

(內蒙古地區)

式中:Qm為多年平均洪峰流量/(m3/s);Qmp為不同頻率的設計洪峰流量/(m3/s);Kp為不同頻率的模比系數;C為參數從《內蒙古自治區—水文手冊》查得;f為流域形狀系數;H24為24 h雨量的平均值/mm;F為流域面積/km2;J為流域坡度，從分水嶺算起，用加權法計算;L為流域長度，從分水嶺算起/km。

(4)鐵三院公式

本次勘測范圍內的地形東部主要為陰山山脈，西部為烏拉特高平原地形，選用如下公式當ap=Sp/tn時:

式中，C2參數可按下式計算

式中，β0、r0、m0、A4均為參數，可從《水文手冊》表 5 －21查取;Sp頻率為P的雨力/(mm/min)。

P0參數可按下式計算

式中N0為參數，可從《水文手冊》表5－21查取。n為暴雨衰減系數(本次驗證采用藍旗n=0.725);L4為流域長度，從分水嶺算起/km;I4流域坡度，從分水嶺算起，用加權法計算;F為流域面積/km2;η為暴雨點面折減系數。

3.3 流量驗證及分析

本次勘測歷時2個月，通過大量的調查和實地勘測工作，選出了17處較為典型的小面積流域作為驗證的工點，經過計算和分析，得出結果如表1、圖2所示。

表1 流量對照

圖2 各公式與形態法比較

小流域暴雨徑流計算和流域內的氣候、地貌、地形、地質等有著很大的關系。通過以上的驗證工作及數據處理可以看出，由于線路較長，任何一個公式都不能在全線范圍內一直接近形態法，所以分段采用不同的公式。綜合各種因素，把全線分為三段，起點到DK70+000用內蒙古地方公式;DK70+000到DK250+000用狼山公式;DK250+000到終點用三院法，這樣劃分比較適合本次勘測范圍內小流域流量計算的實際情況。

4 結論

內蒙古地區鐵路、公路設計，小流域區域內水文資料稀缺的現象普遍存在，如何有效、準確的計算對工程具有重大意義。結合塔本陶勒蓋礦區鐵路運煤專用線的調查和踏勘，總結了內蒙古高原的河流水文特征，根據現場具體情況和收集的水文資料，選擇了合理的水文分析方法，并對計算結果進行詳細的分析和論證，獲得了可靠的設計洪水流量和水位，并在工程實踐中得到了驗證［7］，對內蒙古地區其他鐵路、公路工程具有重要的參考價值。

［1］鐵道部第三勘察設計院．鐵路工程設計技術手冊:橋渡水文［M］．北京:中國鐵道出版社，1999

［2］鐵道部第一勘察設計院．鐵路工程設計技術手冊:涵洞與拱橋［M］．北京:中國鐵道出版社，1994

［3］鐵道部第三勘察設計院．鐵路工程設計技術手冊:橋梁設計通用資料［M］．北京;中國鐵道出版社，1994

［4］鐵道部第三勘察設計院．鐵路工程水文勘測設計規范［S］．北京:中國鐵道出版社，1999

［5］鐵道部第三勘察設計院．鐵路橋涵設計基本規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2006

［6］內蒙古自治區革命委員會水利局．內蒙古自治區水文手冊［M］．呼和浩特:內蒙古自治區水利局，1977

［7］宮玉明，等．黃土丘陵溝壑區高速公路水文分析研究［J］．道路工程，2011(15):79－82