内蒙古高原地区铁路水文分析研究

许志强 贺艳丽

(1.中交铁道勘察设计院有限公司，北京 100088;2.中科院建筑设计研究院有限公司，北京 1001901)

1 工程概况

内蒙古高原区主要由四大地貌组成，中部阴山山脉横亘于内蒙古东西，山北内蒙古高原，山南部河套平原，河套以南为鄂尔多斯高原。此类地区的铁路设计主要受到地形、地貌和沿线河流水文限制。沿线河流的设计流量和水位影响到全线线路的控制高程。如何计算流量、水位对全线的工程造价具有重要意义。

塔本陶勒盖矿区铁路运煤专用线(甘泉线)位于我国内蒙古自治区西北部的巴彦淖尔市、包头市境内。项目南起包神铁路的万水泉南站，经包头市的麻池乡、全巴兔乡、哈林格尔乡、哈业脑包乡后，穿乌拉山，向西北经乌拉特前旗沙德盖工业园区、北方重工后，向西经乌拉特前旗大佘太镇，至乌拉特中旗金泉工业园区后折向北，经乌拉特中旗海流图镇、川井苏木、巴音杭盖，北至中蒙边境中方口岸甘其毛道，线路长354.816 km(如图1所示)。

本地区属典型的干旱半干旱大陆性温带气候区，四季分明，冬季严寒漫长而少雪，春季干旱多风，夏季短促炎热，秋季气温巨降，日照丰富，降水少而集中，蒸发强烈，气候干旱多风沙。项目主要通过以下区域:河套平原区，位于鄂尔多斯高原区与阴山山脉之间的黄河河套地带，为黄河及黄河低阶地区;阴山山脉，雄伟的阴山山脉耸立于内蒙古中部的巴彦淖尔市境内，与纬度平行展布，是我国内流区与外流区的分水岭之一，东西长千余公里，宽五十余公里;乌拉特高平原(内蒙古高原)南至阴山北麓丘陵，北至国界，由南向北倾斜，地域辽阔，地势坦荡，高差较小，海拔一般在900～1 500m之间，属内蒙古高原的一部分。

2 主要河流水系特征及水文

线路沿线水系以狼山山地丘陵与乌兰察布高原交接处为分水岭，划为两个水系，起点—DK70+000为黄河水系，DK70+000—终点为内陆河水系。

黄河水系河流的地面坡度大，沟谷河系较为发育，河床迂回曲折，大部分中小型水库修建在各条河流下游处，是山前农业的主要水源。河谷径流主要是降雨形成，各地径流受降雨左右，趋势与降雨的地带型分布一致。黄河流域地表径流深为4～10 mm之间，多年平均地表径流量5 973.4万m3;多处平均地表径流模数5 492m3/a·km2。

内陆水系河流短，比降缓，河道下切不明显，年径流变化率不大，年径流小。河流流入高原内的洼地或消失在沙漠中，形成许多湖泊(淖尔)，其水源主要是降水，径流年际及年内变化主要受降雨影响。内陆河地区地表径流深在3 mm左右，多年平均地表径流量为1 631.364万m3，多年平均地表径流模数为1 345.8m3/a·km2。

图1 甘泉铁路线路平面示意

线路跨越的主要黄河水系河流有:乌松图勒河、蓿亥河(又名苏海河)、木伦河(又名莫愣河)、石哈河、海流图河;主要内陆水系河流有:昌吉高勒、阿尔沙图沟、古尔班乌兰好来等。

3 小流域河流水文计算分析

3.1 水文分析方法的选择

本线经过的均为季节性河流，且因人烟稀少，洪水调查存在相当的困难，故采用以下3种方法确定流量:

①有观测资料的大中河流搜集水利部门历年流量观测系列资料和历史水位调查分析成果，采用当地水文计算公式及经验证的径流公式相互论证，结合现场具体情况确定其流量、水位。

②没有观测资料，但能调查到洪水位的，则采用形态断面法及经验证的径流公式相互论证，推求流量、水位。

③无法调查到洪水位的河沟，则用经验公式计算流量、水位。

3.2 设计流量的计算分析

利用狼山地区经验公式和内蒙古地方暴雨径流计算公式以及铁三院暴雨径流计算公式计算的流量，与用形态法推算出的流量进行比较分析，来确定小流域地面的暴雨径流计算办法和采用的有关参数是否合适。

(1)形态法

用调查所得到的历史水位并确定频率，根据河流的断面和坡度计算出在这一水位时的流量，利用本地区的偏差系数(CS)、变异系数(CV)两者之间的关系和两次不同重现期流量，推求设计流量换算系数X(T1/T2)值，进而推求100年流量。

(2)狼山地区经验公式

本次的勘测范围较广，有一大段是在狼山地区，采用狼山地区经验公式来计算。狼山公式

式中:Qm为多年平均洪峰流量/(m3/s);F为流域面积/km2。

(3)地区公式法

本次的勘测范围较广，全部都是在内蒙古境内，采用内蒙古地区公式来计算。

内蒙古地区暴雨径流计算公式

(内蒙古地区)

式中:Qm为多年平均洪峰流量/(m3/s);Qmp为不同频率的设计洪峰流量/(m3/s);Kp为不同频率的模比系数;C为参数从《内蒙古自治区—水文手册》查得;f为流域形状系数;H24为24 h雨量的平均值/mm;F为流域面积/km2;J为流域坡度，从分水岭算起，用加权法计算;L为流域长度，从分水岭算起/km。

(4)铁三院公式

本次勘测范围内的地形东部主要为阴山山脉，西部为乌拉特高平原地形，选用如下公式当ap=Sp/tn时:

式中，C2参数可按下式计算

式中，β0、r0、m0、A4均为参数，可从《水文手册》表 5 －21查取;Sp频率为P的雨力/(mm/min)。

P0参数可按下式计算

式中N0为参数，可从《水文手册》表5－21查取。n为暴雨衰减系数(本次验证采用蓝旗n=0.725);L4为流域长度，从分水岭算起/km;I4流域坡度，从分水岭算起，用加权法计算;F为流域面积/km2;η为暴雨点面折减系数。

3.3 流量验证及分析

本次勘测历时2个月，通过大量的调查和实地勘测工作，选出了17处较为典型的小面积流域作为验证的工点，经过计算和分析，得出结果如表1、图2所示。

表1 流量对照

图2 各公式与形态法比较

小流域暴雨径流计算和流域内的气候、地貌、地形、地质等有着很大的关系。通过以上的验证工作及数据处理可以看出，由于线路较长，任何一个公式都不能在全线范围内一直接近形态法，所以分段采用不同的公式。综合各种因素，把全线分为三段，起点到DK70+000用内蒙古地方公式;DK70+000到DK250+000用狼山公式;DK250+000到终点用三院法，这样划分比较适合本次勘测范围内小流域流量计算的实际情况。

4 结论

内蒙古地区铁路、公路设计，小流域区域内水文资料稀缺的现象普遍存在，如何有效、准确的计算对工程具有重大意义。结合塔本陶勒盖矿区铁路运煤专用线的调查和踏勘，总结了内蒙古高原的河流水文特征，根据现场具体情况和收集的水文资料，选择了合理的水文分析方法，并对计算结果进行详细的分析和论证，获得了可靠的设计洪水流量和水位，并在工程实践中得到了验证［7］，对内蒙古地区其他铁路、公路工程具有重要的参考价值。

［1］铁道部第三勘察设计院．铁路工程设计技术手册:桥渡水文［M］．北京:中国铁道出版社，1999

［2］铁道部第一勘察设计院．铁路工程设计技术手册:涵洞与拱桥［M］．北京:中国铁道出版社，1994

［3］铁道部第三勘察设计院．铁路工程设计技术手册:桥梁设计通用资料［M］．北京;中国铁道出版社，1994

［4］铁道部第三勘察设计院．铁路工程水文勘测设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，1999

［5］铁道部第三勘察设计院．铁路桥涵设计基本规范［S］．北京:中国铁道出版社，2006

［6］内蒙古自治区革命委员会水利局．内蒙古自治区水文手册［M］．呼和浩特:内蒙古自治区水利局，1977

［7］宫玉明，等．黄土丘陵沟壑区高速公路水文分析研究［J］．道路工程，2011(15):79－82