新建青新鐵路若羌至庫爾勒段小流域暴雨參數確定方法

張 宇

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司新疆鐵道勘察設計院橋隧分處，新疆烏魯木齊 830011)

新建青新鐵路若羌至庫爾勒段小流域暴雨參數確定方法

張 宇

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司新疆鐵道勘察設計院橋隧分處，新疆烏魯木齊 830011)

新建青新鐵路若羌至庫爾勒段沿線水文觀測站點少，建站時間短，數據不完善，給水文計算帶來一定困難。選取青新線若庫段距線路約3 km的鐵干里克氣象站1957年—2010年日最大降雨量進行暴雨頻率計算，結合西北地區水文統計經驗數據，通過適線分析推求設計日暴雨量。本文確定的小流域暴雨參數依據的雨量序列資料截至2010年，較由80年代編寫《壹橋8216》時所依據的資料增加近30年，計算的暴雨參數較由《壹橋8216》中的暴雨等值線圖查得的數據大25%。

青新鐵路 小流域 暴雨參數 水文頻率計算

1 青新線若庫段概況

青新鐵路若羌至庫爾勒段(以下簡稱青新線若庫段)位于新疆維吾爾自治區東南部，地處新疆巴音郭楞蒙古族自治州境內。若庫段南起塔里木盆地南緣若羌縣，北至塔里木盆地北緣庫爾勒市，主要經過塔里木盆地邊緣及腹地。塔里木盆地位于天山、昆侖山和阿爾金山之間，為我國最大的內陸盆地，是大型封閉性山間盆地，印度洋和西太平洋暖濕氣流難以進入，降水量小，夏季炎熱少雨，冬季異常寒冷。

1.1 地區氣候、降水

1)氣候。若庫段線路位于塔里木盆地東南部，屬典型的大陸性干旱氣候區，為暖溫帶干旱南疆區。冬夏長，春秋短促。冬季嚴寒漫長而少雪，春秋季干旱多風沙，夏季炎熱，晝夜溫差大，日照豐富，降水少而集中且不均勻，蒸發強烈，氣候干旱多風沙。若庫段區域內年平均氣溫為2.9℃ ～12.5℃，極端最高氣溫為32℃～44.3℃，極端最低氣溫 -23.1℃ ～-34.3℃。年平均降水量為21.3～54.1 mm，年最大降雨量為69.7～117.0 mm，年平均蒸發量2 033.3～2 900.0 mm，年最大蒸發量2 455.1～3 300.0 mm。年均風速為1.4～3.2 m/s，年平均大風日數(≥8級)9～43 d，最大定時風速13.3～26.0 m/s，最大瞬時風速 22.7～32.7 m/s，最大積雪厚度4～18 cm。

2)降水。線路沿線各段降水差異較大，總的分布特點是：北部多，南部少;山區多，平原少，盆地沙漠更少;山區迎風坡多，背風坡少;天山山區多，阿爾金山少。塔里木盆地降水量北部一般在50～70 mm，南部一般在15～30 mm，降水稀少，蒸發強烈，空氣十分干燥。降水冬季多為降雪，夏季多為降雨，春秋季雨雪混合，因此，本地區河流均以雨雪混合型為主。

由于新疆地域廣闊，降水現象復雜，水文觀測站點分布稀少，建站時間短，且數據不完善，觀測范圍難以完全覆蓋本地區，同時，觀測值不一定代表暴雨中心降水量，特別是山區和盆地中央地帶，觀測值往往偏小，給水文分析帶來一定困難。

1.2 暴雨區域劃分

若庫段由南向北橫穿塔里木盆地，沿線根據其地形、地貌、水文、氣候等因素暴雨區域又可劃分為塔里木河沖積平原區、庫魯塔格山前洪積扇、庫魯塔格山山區。

1)塔里木河沖積平原區。主要位于本線的若羌至尉犁段，地形平坦，地勢開闊略有起伏，地勢南高北低，自然坡度2‰～5‰，海拔高程800～8 890 m。若庫段在東、西部分別有庫魯塔克沙漠和塔克拉瑪干沙漠，僅以沿塔里木河兩岸狹窄綠地帶隔開，帶寬為1～3 km，局部伴生有沙丘、沙地，植被稀疏不均。

2)庫魯塔格山前洪積扇。主要位于本線的尉犁至庫爾勒段，地形平坦，地勢開闊略有起伏，地勢北高南低，海拔950～1 010 m，相對高差5～20 m，自然坡度2‰～5‰，植被稀疏不均，沿線為戈壁礫漠地貌，局部地段分布有風積沙。

3)庫魯塔格山山區。主要位于本線的尉犁至庫爾勒段，庫魯塔格山為天山的一個分支，位于焉耆盆地和孔雀河谷地之間，東西長超過400 km，南北寬約40～60 km，地勢西高東低，包括兩組山地，北部山地一般高1 500～2 500 m，最高峰西大山海拔2 782 m;南部山地為短小山脊，如興地山，海拔高度在2 000 m以下。兩組山地向東均為海拔1 100～1 300 m的低山丘陵所替代。整個山體飽經剝蝕，使得山勢平緩，分水嶺圓緩低矮，沖溝切割不深，基巖裸露，山體表面的基巖物理風化強烈，裸露基巖多為碎石狀，局部地勢較為陡峻。山間凹地、溝谷較發育，植被主要為梭梭，地表植被覆蓋度一般為15%～30%。區內山峰無常年積雪，除興地河外無常年流水。

2 青新線若庫段小流域暴雨計算

2.1 暴雨參數選擇與計算方法

2.1.1 雨量資料的收集與選樣

對線路通過地段，收集該區域內的水文站、氣象站的自記雨量和定時觀測的雨量資料，充分了解該地區的暴雨特性、成因、暴雨路徑等水文氣象特征，以便對該地區暴雨參數的定性、定量分析提供依據。

將收集到的雨量資料經分析、篩選后，整理出統計樣本，常用的選樣方法有兩種：

1)年最大值法。在每個站，每一年內根據所要求的不同時段，選取各時段的年最大值，組成一個n年系列統計樣本。

2)超定量法。凡每站年內時段雨量超過一定量級時都選取。

2.1.2 統計參數分析

統計參數分析按年最大值法，挑選歷年各時段(10～1 440 min)最大降雨量組成一個樣本系列，用數理統計方法，并將頻率曲線外延，推求各個時段指定頻率的暴雨強度。

經驗頻率估算：將歷年各時段雨量按大小順序排列，按下列公式計算樣本系列的經驗頻率

式中，P為等于或大于某一量級雨量的經驗頻率，m為等于或大于某一量級雨量的出現次數，n為系列長度。

樣本系列的統計特征參數計算公式為

式中：Hp為系列中雨量均值;Hi為系列中一般年份的雨量值;n為實測系列總年份;σ為標準差;Cv為變異系數;Cs為偏差系數;Ki=Hi/Hp，為模比系數。

2.1.3 經驗頻率曲線繪制

在普通直角坐標方格紙上，點繪經驗頻率曲線呈S形，曲線上部急劇上升或下部急趨下降，將曲線外延尋找較小頻率流量時，任意性較大，而曲線外延值正是設計需要的重要數據，為改善曲線外延值準確性，應使用海森機率格紙。在海森機率格紙上，以日最大降雨量為縱坐標，以經驗頻率為橫坐標，點繪出各經驗頻率點據。頻率曲線一般選用皮爾遜Ⅲ型曲線作為適線和外延曲線。

2.1.4 Cs和Cv關系確定

利用式(4)計算Cs時，必須有百年以上的樣本，才能獲得較滿意的結果。實際工作中很難有百年以上的樣本，故采用Cs為Cv某一倍的數值，再通過適線加以確定。在西北地區，通過經驗及曲線適配，當Cs=3.5Cv時較為合理。

2.1.5 Cv取值

對于統計樣本系列中特大值Cvn的判定標準，在西北地區判定方法為：Cvn≥0.35，Hmax/Hp＞［0.6+(2.9+0.05n)Cvn］，其中Hmax為系列中最大雨量，凡同時符合上述條件者，即按最大值處理。

2.2 青新線若庫段暴雨計算

鐵干里克氣象站位于北緯40.63°，東經87.7°，距離線路右側約3 km。通過對鐵干里克氣象站日最大降水量的統計和計算，所確定的百年一遇暴雨參數，對于本線若羌至尉犁段具有較強的代表性。

1)首先將收集到的雨量資料經分析、篩選后，整理出統計樣本。

2)利用式(1)，計算出經驗頻率P。本文收集了鐵干里克氣象站自1957年—2010年的日最大降水量資料，根據此資料進行統計。分析結果見表1。

3)根據實際數據計算得：Hp=11.91 mm;σ=8.1 mm;Cv=0.676 9;Cs=3.5Cv。

4)適線分析結果見圖1。經試算，采用Cv=0.68，Cs=3.5Cv較為合理。通過查《橋渡水文》手冊，可確定P=1%時，相應的系數KP=3.58。

5)由適線確定單站的各時段統計參數后，指定時段的設計暴雨量 Ht，p=KPHp，則設計日暴雨量 H日，1%=42.6 mm。

6)利用日暴雨量求暴雨參數SP，采用的計算公式為 SP=KH日，1%× 24n2－1，其中，K 為系數，根據經驗一般為1.10～1.25，n2為暴雨強度衰減指數。結合本線地形地貌，K取1.13，n2取0.8，則可得設計暴雨參數S1%=25.5 mm/h。

表1 鐵干里克站歷年日最大降水量統計分析

圖1 鐵干里克氣象站歷年日最大降水量頻率曲線

3 結語

1)根據鐵干里克氣象站資料計算出的S1%=25.5 mm/h，由鐵一院編寫《壹橋8216》中的暴雨等值線圖查得S1%=20 mm/h，比計算結果小，主要原因為鐵一院編寫的《壹橋8216》完成于80年代，收集資料序列較短，而本次收集的雨量資料至2010年，雨量序列資料增加近30年，所以本次分析結果更加準確。對于本地區而言，暴雨洪峰對線路危害較大，結合線路所處的地形、地貌，地區的暴雨特性、成因、暴雨路徑等，最終確定S1%=25 mm/h。

2)本文雖然確定了流域面積＜100 km2的百年洪峰流量的暴雨參數計算方法，但是由于測量資料匱乏，沒有＜1 h和1～6 h的降雨資料，無法驗證衰減指數。下一步還需要進一步驗證，以便使暴雨參數計算更加準確。

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

［3］鐵道部第一設計院，中國科學院地理研究所，鐵道部科學研究院西南所.小流域暴雨洪峰流量計算［M］.北京：中國科學出版社，1978.

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

［5］陳勇.沈哈客運專線橋涵水文計算分析［J］.鐵道建筑，2007(2)：7-9.

［6］金發良.通霍鐵路既有線水害原因分析及對策研究［J］.鐵道建筑，2011(3)：76-79.

U442.5+8

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2013.05.09

1003-1995(2013)05-0029-03

2012-10-11;

2013-03-05

張宇(1977— )，男，新疆烏魯木齊人，工程師。

(責任審編 李付軍)