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(shè)計院集團(tuán)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(nèi)約510 km。為國家規(guī)劃鐵路網(wǎng)中西部地區(qū)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(qū)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(qū)境內(nèi),沿線主要地貌可分為柴達(dá)木盆地區(qū)、阿爾金低中山區(qū)和塔里木盆地區(qū)3個一級地貌單元,總體地勢為中間高,兩頭低,柴達(dá)木盆地較塔里木盆地平均高約2 000 m。

本線深屬內(nèi)陸,氣候干旱,屬典型的大陸干旱性氣候,柴達(dá)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(qū),經(jīng)行地區(qū)人跡罕至,大小河流散布,其中以青海省內(nèi)大中河流居多。隨著近年來西北地區(qū)鐵路的快速發(fā)展,特別多條區(qū)域鐵路干線、專用線的規(guī)劃和實施,根據(jù)本地區(qū)水文地質(zhì)特點,及時總結(jié)本地區(qū)橋涵水文分析方法具有重要意義，希對今后西北地區(qū)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(jīng)地區(qū)主要河流均為內(nèi)陸水系,其中青海省內(nèi)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(nèi)。

圖1 格庫線青海省境內(nèi)水系

青海省境內(nèi)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(qū),距出山口5～42 km,河流在出山口外基本上呈漫流狀態(tài),那陵格勒河在線位處漫流寬度達(dá)10 km左右,沿程滲漏塌緩較大。

線路經(jīng)行青海省內(nèi)的其他大中河流(拖拉海河等)均發(fā)源于昆侖山北麓,屬內(nèi)陸季節(jié)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(qū)50‰～100‰,平原區(qū)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(qū)或擴(kuò)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(jīng)大部分地區(qū)人煙稀少,除格爾木河設(shè)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)。勘測期間,通過多次對各典型流域?qū)嵉匦螒B(tài)調(diào)查,并結(jié)合收集到的相關(guān)水文資料進(jìn)行整理、分析、歸納,最終確定各大中河流設(shè)計洪水。勘測期間,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(shù)理統(tǒng)計的方法推算設(shè)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(diào)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(dāng)?shù)厮块T地區(qū)經(jīng)驗公式,按數(shù)理統(tǒng)計方法和形態(tài)調(diào)查法修正地區(qū)經(jīng)驗公式,按修正后的公式推求大中河流設(shè)計洪水

本地區(qū)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(jīng)驗公式進(jìn)行修正。

《青海省水文手冊》中,統(tǒng)計分析了柴達(dá)木盆地南緣西部地區(qū)年最大流量-面積經(jīng)驗公式,根據(jù)格爾木河水文站實測系列分析結(jié)果對手冊公式進(jìn)行修正,結(jié)果見表2。

表2 格爾木站實測資料分析結(jié)果與經(jīng)驗公式計算結(jié)果對照 m3/s

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

Q1%=0.41×F0.77

式中，F(xiàn)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(jīng)驗公式系數(shù)進(jìn)行修正。根據(jù)格爾木河流量適線結(jié)果,Cv=0.94,Cs=3Cv,參考20世紀(jì)70年代鐵一院水文勘測資料,對參數(shù)修正如下,Cv=1.1,Cs=3Cv,則可得修正后地方經(jīng)驗公式為

Q1%=0.548·F0.77

為核查修正后的經(jīng)驗公式的可靠性和適用性,勘測期間分別選取了本區(qū)段典型河流進(jìn)行了形態(tài)調(diào)查,結(jié)果(表3)顯示修正后的經(jīng)驗公式與實際調(diào)查結(jié)果相差不大,可以采用。

3.3 平原漫流區(qū)設(shè)計洪水的求算

部分段落線位距出山口較遠(yuǎn),洪水出山口后,呈漫流狀態(tài),平原區(qū)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(jīng)驗公式計算橋位處的設(shè)計流量

Q橋址=Q山口×β+Q平原×(F平原/(F平原+F山區(qū)))[6]

式中，F(xiàn)平原,F山區(qū)分別為橋位處平原區(qū)和山區(qū)匯水面積,km2；β為洪峰塌緩系數(shù)。

洪峰塌緩系數(shù)隨著轉(zhuǎn)運河段距山口的距離增加而減小,與轉(zhuǎn)用河段的河床糙率系數(shù)和河段擴(kuò)散情況有關(guān),具體計算可參見文獻(xiàn)[1](1974年版),也可根據(jù)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(shù)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(jīng)驗公式計算結(jié)果

勘測中對收集到的各種水文資料進(jìn)行歸納整理,形成表格,逐一核對各種文獻(xiàn)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(shè)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(guān)計算參數(shù),核查計算結(jié)果的準(zhǔn)確性

自20世紀(jì)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(shè)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(diào)查研究工作,并系統(tǒng)編制了完整的水文計算成果。該成果的形成經(jīng)過了20多年的歷程,經(jīng)受了30～50年一遇較大洪水的挑戰(zhàn),基本上反映了沿線大中河流的水文特征。

本次勘測設(shè)計在既有成果的基礎(chǔ)上,還補(bǔ)充收集了大量水文資料,對相關(guān)水文計算公式進(jìn)行核查、補(bǔ)充完善和驗證。

4 總結(jié)及建議

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

(1)利用已有河流流量觀測資料,修正地方經(jīng)驗公式,注意在同一水系河流若流域面積差別較大,有關(guān)參數(shù)應(yīng)有調(diào)整,否則計算結(jié)果可能與實際差別較大；

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

式中，Q為設(shè)計流量；F為流域面積。

(3)沿程塌緩和滲漏較為嚴(yán)重的河流,應(yīng)主要以實際調(diào)查為主的辦法核查計算結(jié)果的準(zhǔn)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(jié)果。

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

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

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

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[11] 青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院.青海省格爾木市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報告[R].西寧：青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,2005．

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