吐魯番市鉻渣場設計暴雨洪水分析

李樹波

（吐魯番水文勘測局，新疆 吐魯番 38000）

0 引言

近年來，煤礦等企業的渣場建設和渣土不科學堆放，在汛期造成許多垮壩和不安全事故，給下游群眾生命財產造成了巨大損失。同時，也給監管部門和建設單位敲響了警鐘，必須高度重視渣場建設的暴雨洪水分析。現以沈宏鉻渣場為例，對類似的渣場設計暴雨進行洪水分析。

1 概況

沈宏鉻渣場位于吐魯番火焰山北麓，介于煤窯溝河和黑溝河之間。淺山區至山前平原為巨厚的第四系地層，工程場址以北至山前區域地勢由北向南傾斜，海拔高度在930 m～360 m左右，出山口有3個沖洪溝，溝長約在3.6 km～5.0 km之間，這些溝為間歇性洪水干溝，平常無水。下游洪積扇至鉻渣場區域極度干燥，但在低山區或下游洪積扇平原出現持續性降水或較大的局地暴雨時，極易發生暴雨洪水。沖洪溝出山口平均距工程場址約15 km，出山口與工程場址之間有53.24 km2的荒漠戈壁區。為了確保沈宏鉻渣場防洪安全，需對渣場處的暴雨洪水進行分析。

北部山區各山洪溝無歷史調查洪水資料，2010年8月28日吐魯番水文水資源勘測局專門對該區域北部山區各山洪溝進行了暴雨和洪水調查。據調查渣場以北鐵路線以上有3條洪溝，溝長約在3.6 km～5.0 km之間，這些溝為間歇性洪水干溝。溝內植被稀少，山體裸露，溝口海拔一般在900 m左右，屬干旱淺山區地帶。山溝流域面積較小，合計僅有14 km2，加上鐵路線以下至渣場43.24 km2荒漠戈壁區，總面積57.24 km2，地面坡降為23.3‰，下墊面狀況相對均勻，故在雨強大于滲強的條件下，主要以地表坡面產、匯流方式產生徑流。

2 暴雨洪水特性分析

2.1 暴雨成因分析

根據氣象資料統計分析，吐魯番市暴雨主要是由以下幾種天氣類型產生：

（1）鋒區波動型。南支鋒區多短波活動，這些東移的短波若遇到北支冷空氣，吐魯番地區可產生局地大降水。

（2）中亞橫槽或傾斜槽型。歐洲脊前烏拉爾山東南到西西伯利亞為一橫槽，或東北—西南向傾斜槽，當高空東北方有冷空氣向南移，侵入該區上空時，則產生不穩定層，結果造成對流發展，出現陣性降水。

（3）低渦型。當低渦大降水一旦影響到這一區域時，有時降水時間較長、范圍大、可出現連續大降水。如1958年8月11日～15日、1960年6月18日、1984年6月17日～24日等幾次大降水，大多是低渦系統影響所致。

2.2 暴雨特性

天山南坡山溪性河流[1]，洪水多由暴雨產生，各流域暴雨有以下特點：暴雨主要發生在夏季（6月～8月），山區發生暴雨機率比平原區多，暴雨的時空分布極不均勻；局部性暴雨歷時短（一般暴雨歷時不超過6 h），籠罩面積小；暴雨中心位置在中、高山區；暴雨次數與量級比新疆其它山區少而小。

2.3 鉻渣場北部洪水特性

鉻渣場北部山洪溝為間歇性洪水干溝，中下游沖洪積扇區極度干裂，當在中低山區或下游洪積扇平原出現持續性降水和較大雨強的局地暴雨時，極易形成洪水，一般發生在6月～8月之間，洪水具有陡漲陡落、過程單一、峰型尖瘦、歷時短、峰高量小等特性。

3 工程場址設計暴雨洪水計算

渣場工程場址位于煤窯溝與黑溝河之間，前方北側至山前與3條山洪溝相接，集水面積14 km2，鐵路線以下至渣場有43.24 km2荒漠戈壁區，總面積57.24 km2。鑒于山溝流域面積較小，為便于分析計算，本次暴雨洪水計算將3條山洪溝與荒漠戈壁區同視為一個區域合并計算。渣場場址洪水多由暴雨形成，匯流面積較小，缺乏基本水文資料，根據規范無資料地區設計暴雨可使用省區暴雨洪水圖集作為設計依據。本次暴雨洪水計算主要以調蓄經驗單位線法和推理公式法推求洪水過程，兩種方法經比選后最后推薦計算成果。

3.1 調蓄經驗單位線法

（1）設計暴雨計算

從天山北坡暴雨特性來看,一般小流域可用24小時設計暴雨來推求。新疆以日降水≥10 mm作為一次大降水，日降水量≥25 mm為暴雨。根據《新疆維吾爾自治區可能最大暴雨圖集》，查出本流域年最大24小時設計暴雨，H24=11.5 mm，再從“年最大24小時雨量變差系數等值線圖”查出本流域CV=0.75，CS/CV=3.5，推求流域不同頻率24小時點雨量值，然后用時面深曲線查出點面折算系數，H面=0.99H點，用折算系數轉換成各頻率的面雨量。查P-Ⅲ曲線模比系數表，頻率P=0.2%，Kp=5.38，計算得500年一遇點、面雨量分別為62 mm、61.4 mm。

（2）面雨量時程分配

根據《新疆可能最大暴雨圖集》，上游中心多年平均24 h暴雨量H24=11.5 mm，從“天山北坡區概化雨型”圖上摘錄雨量時程分配，并推求其與各種頻率的面雨值的乘積，即將各種面雨量的逐時的設計面雨量過程，計算結果見表1。

表1 設計流域五百年一遇面雨量時程分配表

（3）產、匯流計算

根據面雨量時程分配過程，可初步假設各種頻率產流歷時tc為3小時，求出相應的各種頻率產流凈毛雨量Ptc為6.437 mm，凈雨總量為19.31 mm，再用tc和Ptc值在《中小流域設計暴雨資料圖集》中查出產流期平均損失率f值為8.96 mm；用f值去切割面雨量過程，徑流系數α為0.278，經計算，渣場前五百年一遇暴雨洪水產、匯流洪峰流量44.6 m3/s。

3.2 推理公式法

推理公式如下：

式中：Qm為洪峰流量，m3/s；h為在全面匯流時代表相應于τ時段的最大凈雨，mm；F為流域面積，57.24 km2；τ為流域匯流歷時，5h；m為匯流參數，北方干旱無資料地區根據θ值不同，m值變化在1.0～1.8之間，取0.709；L為沿主河道從出山口斷面至分水嶺的最長距離,13 km；J為沿流程L的平均比降，23.3‰；θ為L/J1/3，16.55。

以上地形參數從1/10萬地形圖上量算而得。根據參數使用推理公式計算程序，分別計算洪峰流量，計算出區域500年一遇洪峰流量為126 m3/s。

3.3 推薦計算成果分析

前面用了兩種方法進行工程場址區暴雨洪水計算，推理公式是一種暴雨成因推理分析與經驗相關分析相結合的方法，但其中的產、匯參數是由水文軟件中查算，由于本地區缺乏實測資料，參數的選取具有一定經驗性。調蓄經驗單位線法是選擇不同地區的暴雨類型和設計暴雨，進行洪水計算。推理公式法500年一遇洪峰流量為126 m3/s，調蓄經驗法500年一遇洪峰流量為44.6 m3/s，兩種方法計算的結果相差較大，這主要是因為在工程場址缺乏暴雨資料，計算時所依據的參數為可能最大暴雨圖集查的，存在不確定性，所以計算結果偏小。考慮工程的安全性和偏于安全的取值要求，推薦推理公式法計算成果，這也是考慮到設計流域下墊面、流域面積、河長、坡降等特征值，也符合小流域的暴雨洪水規律。

4 工程場址設計洪水位推求

4.1 渣場前洪水行洪路線說明

本次洪水大斷面選擇在渣場前50 m處，大斷面布設（東西方向）測量寬度為820 m，斷面無明顯起伏變化。由于洪水在荒漠戈壁地帶呈顯到處漫流狀態，加之無固定洪水控制斷面，所以首先應考慮暴雨洪水對工程最為不利的情況下，即假定渣場以上區域發生500年一遇暴雨，洪峰流量為126 m3/s時，洪水集中后在到達渣場前50 m左右已分流行洪,再經過渣場背后兩條支流匯合流向下游，從火焰山缺口出流。根據大斷面測量成果，分流后主流在渣場東側，西側略小。經過分析計算500年一遇洪水洪峰流量渣場東側為75.6 m3/s，西側為50.4 m3/s，渣場背后兩條支流匯合處洪峰流量仍為126 m3/s。

4.2 設計洪水位推求

4.2.1 建立斷面水位流量關系

在野外勘測的基礎上，依據實測大斷面和上、下游各500 m河段實測河床縱比降成果，同時合理分析取用斷面河床質的糙率，采用曼寧公式分別計算不同水位的相應流量，從而建立水位流量關系。實測大斷面圖及水位流量關系推算見圖1～圖2。

圖1 渣場前（北側）50 m實測大斷面圖

圖2 渣場前（北側）50 m水位流量關系圖

4.2.2 水位流量關系及設計洪水位計算

依據實測大斷面成果，分別計算不同水位的水力半徑和斷面面積，用實測的水面比降、分析得出的糙率，采用曼寧公式推出不同水位的相應流量，從而建立各斷面的水位流量關系，并給出相應的500年一遇設計洪水水位。渣場各斷面設計洪水位計算成果見表2。

表2 渣場各斷面設計洪水位計算成果

5 結論

鉻渣場建設對工程的防洪要求較高，因為水文資料缺乏，采用調蓄經驗單位線法和推理公式法分別對計算渣場500年一遇洪水，并在野外勘測的基礎上，對渣場的前后左右洪水位進行了分析計算。綜合各方面因素，從偏安全角度考慮，計算出工程處500年一遇洪峰流量為126 m3/s，渣場北洪水位為357.494 m，為渣場工程建設和后期管理提供了科學依據。