格爾木至庫爾勒鐵路典型大中流域水文分析

宋德龍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 流域概況

格爾木至庫爾勒鐵路(以下簡稱格庫線)正線全長約1 222 km,其中青海省境內約510 km。為國家規劃鐵路網中西部地區重要干線鐵路,也是新疆“四縱四橫”鐵路主骨架之一。

線路通過地區由東至西,分屬昆侖山、阿爾金山及天山水系。格爾木至茫崖湖為昆侖山水系,較大河流有格爾木河、托拉海河、大灶火河、中灶火河、小灶火河、那陵灶火河、烏圖美仁河、那陵格勒河等8條主要河流,其中以格爾木河、那陵格勒河最大。茫崖湖至若羌屬阿爾金山水系。若羌至庫爾勒段為天山水系及昆侖山水系,較大河流有若羌河、且末河、塔里木河、孔雀河等。

全線位于青海省和新疆維吾爾自治區境內,沿線主要地貌可分為柴達木盆地區、阿爾金低中山區和塔里木盆地區3個一級地貌單元,總體地勢為中間高,兩頭低,柴達木盆地較塔里木盆地平均高約2 000 m。

本線深屬內陸,氣候干旱,屬典型的大陸干旱性氣候,柴達木盆地海拔3 000 m左右,塔里木盆地海拔900 m左右,前者平均氣溫較后者低。

格庫線橫跨青海、新疆兩省區,經行地區人跡罕至,大小河流散布,其中以青海省內大中河流居多。隨著近年來西北地區鐵路的快速發展,特別多條區域鐵路干線、專用線的規劃和實施,根據本地區水文地質特點,及時總結本地區橋涵水文分析方法具有重要意義，希對今后西北地區國鐵、專用線的橋涵水文勘測有一定的借鑒和參考價值。

2 大中流域特點

線路所經地區主要河流均為內陸水系,其中青海省內集中了全線主要的大中河流8條(圖1),流域面積在500～25 000 km2范圍內。

圖1 格庫線青海省境內水系

青海省境內匯水面積大于10 000 km2的格爾木河和那陵格勒河為全線流量最大的2條河流。線路走行于河流下游漫流區,距出山口5～42 km,河流在出山口外基本上呈漫流狀態,那陵格勒河在線位處漫流寬度達10 km左右,沿程滲漏塌緩較大。

線路經行青海省內的其他大中河流(拖拉海河等)均發源于昆侖山北麓,屬內陸季節性河流,流向自南向北,流域面積在600～1 500 km2,流域長度60～100 km,主河槽平均坡度山區50‰～100‰,平原區3‰～10‰。河流上游地段山高坡陡,河谷狹窄,出山后河道在山前平原區或擴散漫流,或滲漏為地下水,后以泉水出露。

3 大中流域水文分析

線路所經大部分地區人煙稀少,除格爾木河設有水文站外,其余河流均無水文站(那陵格勒河僅有5年觀測資料)?？睖y期間,通過多次對各典型流域實地形態調查,并結合收集到的相關水文資料進行整理、分析、歸納,最終確定各大中河流設計洪水?？睖y期間,主要從以下幾個方面開展大中流域水文計算及分析工作。

3.1 有水文站的河流采用數理統計的方法推算設計流量,如格爾木河

本次收集到格爾木河水文站1956～1999年共40年水文觀測系列,從《橋渡水文》查得格爾木河1922年調查洪水Q1%=840 m3/s,本次適線按考慮1922年特征值和不考慮1922年特征值推求百年流量,計算成果見表1,流量頻率曲線見圖2。

表1 格爾木河流量成果 m3/s

圖2 格爾木河流量頻率曲線(Cv=0.94,Cs=3Cv)

3.2 收集當地水利部門地區經驗公式,按數理統計方法和形態調查法修正地區經驗公式,按修正后的公式推求大中河流設計洪水

本地區大中流域匯水面積在10 000 km2以上只有格爾木河和那陵格勒河,其余河流匯水面積均在600～1 500 km2,考慮到各流域匯水面積差異較大,分別按10 000 km2以上和1 500 km2以下2種情況分別對地方經驗公式進行修正。

《青海省水文手冊》中,統計分析了柴達木盆地南緣西部地區年最大流量-面積經驗公式,根據格爾木河水文站實測系列分析結果對手冊公式進行修正,結果見表2。

表2 格爾木站實測資料分析結果與經驗公式計算結果對照 m3/s

由表2可見，用經驗公式法推算的結果較實測資料平均偏小13.5%。手冊中百年一遇設計洪水經驗公式為

Q1%=0.41×F0.77

式中，F為流域匯水面積,km2。

修正后,山口匯水面積大于10 000 km2的河流

Q1%=0.466·F0.77

對于山口匯水面積小于1 500 km2的河流,考慮到流域面積小的河流Cv值一般大于流域面積大的河流[1],需對經驗公式系數進行修正。根據格爾木河流量適線結果,Cv=0.94,Cs=3Cv,參考20世紀70年代鐵一院水文勘測資料,對參數修正如下,Cv=1.1,Cs=3Cv,則可得修正后地方經驗公式為

Q1%=0.548·F0.77

為核查修正后的經驗公式的可靠性和適用性,勘測期間分別選取了本區段典型河流進行了形態調查,結果(表3)顯示修正后的經驗公式與實際調查結果相差不大,可以采用。

3.3 平原漫流區設計洪水的求算

部分段落線位距出山口較遠,洪水出山口后,呈漫流狀態,平原區匯水面積在總匯水面積中比例較大,如本線大灶火河、中灶火河、烏圖美仁河等,可采用下述經驗公式計算橋位處的設計流量

Q橋址=Q山口×β+Q平原×(F平原/(F平原+F山區))[6]

式中，F平原,F山區分別為橋位處平原區和山區匯水面積,km2；β為洪峰塌緩系數。

洪峰塌緩系數隨著轉運河段距山口的距離增加而減小,與轉用河段的河床糙率系數和河段擴散情況有關,具體計算可參見文獻[1](1974年版),也可根據下游河段某一斷面處的歷史洪水流量與山口處的同期歷史洪水流量之比確定。本線沿線地形地貌與南疆線吐庫段類似,一般情況下,洪峰塌緩系數β在0.75～0.95之間[4]。

3.4 收集水利或公路部門對相同流域推算的洪峰流量,驗證地方經驗公式計算結果

勘測中對收集到的各種水文資料進行歸納整理,形成表格,逐一核對各種文獻流量形成的背景資料,如年限、計算方法、流域范圍、適用邊界等,確定各河流設計洪水,見表3。

表3 典型大中河流流量驗證成果 m3/s

3.5 以鐵一院歷次的勘測資料成果為參考,合理利用有關計算參數,核查計算結果的準確性

自20世紀50年代至2009年底,鐵一院先后4次開展格庫線格爾木至庫爾勒的方案研究和勘察設計工作,在歷次勘測工作中,對沿線主要河流做了大量的水文調查研究工作,并系統編制了完整的水文計算成果。該成果的形成經過了20多年的歷程,經受了30～50年一遇較大洪水的挑戰,基本上反映了沿線大中河流的水文特征。

本次勘測設計在既有成果的基礎上,還補充收集了大量水文資料,對相關水文計算公式進行核查、補充完善和驗證。

4 總結及建議

本文簡述了格庫鐵路青海省境內水文工作的主要方法,針對勘測設計中遇到的問題,建議在類似工作中應注意以下幾點：

(1)利用已有河流流量觀測資料,修正地方經驗公式,注意在同一水系河流若流域面積差別較大,有關參數應有調整,否則計算結果可能與實際差別較大；

(2)根據相同或相似流域,產匯流相同或相似的原理,可采用地區綜合法等方法核查設計洪水,如本線那陵格勒河流量計算就采用了地區綜合法公式

式中，Q為設計流量；F為流域面積。

(3)沿程塌緩和滲漏較為嚴重的河流,應主要以實際調查為主的辦法核查計算結果的準確性；

(4)用其他已有資料核對計算流量時,要注意核查已有資料形成的年代、位置、邊界條件等背景,綜合考慮后形成最后結果。

勘測期間,筆者等勘察設計人員多次深入現場,利用航測圖片和最新google地形圖與實際調查相結合,通過理論計算,較合理地確定了全線大中河流的設計流量,為布設橋涵孔跨提供了依據,同時也為其他同類地區水文勘測分析提供了參考。

[1] 鐵道部第三勘測設計院. 鐵路工程設計手冊·橋渡水文[M].北京:中國鐵道出版社,1993.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10017—99 鐵路工程水文勘測設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,1999．

[3] 青海省水利電力局水文總站編.青海省水文手冊[M].西寧:青海省水利電力局水文總站,1974.

[4] 張治中.淺談山前漫流區水文分析方法[J].鐵道標準設計,2006(11)：54-56．

[5] 鐵道部第一勘測設計院. 壹橋8216[Z].蘭州：鐵道部第一勘測設計院,1984．

[6] 鐵道部第一勘測設計院. 壹橋8223[Z].蘭州：鐵道部第一勘測設計院,1987．

[7] 鐵道部第一勘測設計院. 青新線鐵路工程設計檔案[R]. 蘭州：鐵道部第一勘測設計院,1978．

[8] 格爾木市水務局.青海省海西州格爾木河道生態修復及整治工程可行性研究[R].格爾木：格爾木市水務局,2010．

[9] 青海省水利水電勘測設計研究院.那陵格勒河水系及規劃[R].西寧：青海省水利水電勘測設計研究院,2010．

[10] 李濤.鄂爾多斯地區鐵路橋涵水文勘測及小流域流量分析與計算[J].鐵道標準設計,2010(7)：74-76．

[11] 青海省水文地質工程地質勘察院.青海省格爾木市地質災害調查與區劃報告[R].西寧：青海省水文地質工程地質勘察院,2005．

[12] 張佰戰，李付軍，戴榮堯.可沖河床橋址斷面壅水值的理論計算[J].鐵道標準設計，2009(6)：53-54.