格尔木至库尔勒铁路典型大中流域水文分析

宋德龙

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 流域概况

格尔木至库尔勒铁路(以下简称格库线)正线全长约1 222 km,其中青海省境内约510 km。为国家规划铁路网中西部地区重要干线铁路,也是新疆“四纵四横”铁路主骨架之一。

线路通过地区由东至西,分属昆仑山、阿尔金山及天山水系。格尔木至茫崖湖为昆仑山水系,较大河流有格尔木河、托拉海河、大灶火河、中灶火河、小灶火河、那陵灶火河、乌图美仁河、那陵格勒河等8条主要河流,其中以格尔木河、那陵格勒河最大。茫崖湖至若羌属阿尔金山水系。若羌至库尔勒段为天山水系及昆仑山水系,较大河流有若羌河、且末河、塔里木河、孔雀河等。

全线位于青海省和新疆维吾尔自治区境内,沿线主要地貌可分为柴达木盆地区、阿尔金低中山区和塔里木盆地区3个一级地貌单元,总体地势为中间高,两头低,柴达木盆地较塔里木盆地平均高约2 000 m。

本线深属内陆,气候干旱,属典型的大陆干旱性气候,柴达木盆地海拔3 000 m左右,塔里木盆地海拔900 m左右,前者平均气温较后者低。

格库线横跨青海、新疆两省区,经行地区人迹罕至,大小河流散布,其中以青海省内大中河流居多。随着近年来西北地区铁路的快速发展,特别多条区域铁路干线、专用线的规划和实施,根据本地区水文地质特点,及时总结本地区桥涵水文分析方法具有重要意义，希对今后西北地区国铁、专用线的桥涵水文勘测有一定的借鉴和参考价值。

2 大中流域特点

线路所经地区主要河流均为内陆水系,其中青海省内集中了全线主要的大中河流8条(图1),流域面积在500～25 000 km2范围内。

图1 格库线青海省境内水系

青海省境内汇水面积大于10 000 km2的格尔木河和那陵格勒河为全线流量最大的2条河流。线路走行于河流下游漫流区,距出山口5～42 km,河流在出山口外基本上呈漫流状态,那陵格勒河在线位处漫流宽度达10 km左右,沿程渗漏塌缓较大。

线路经行青海省内的其他大中河流(拖拉海河等)均发源于昆仑山北麓,属内陆季节性河流,流向自南向北,流域面积在600～1 500 km2,流域长度60～100 km,主河槽平均坡度山区50‰～100‰,平原区3‰～10‰。河流上游地段山高坡陡,河谷狭窄,出山后河道在山前平原区或扩散漫流,或渗漏为地下水,后以泉水出露。

3 大中流域水文分析

线路所经大部分地区人烟稀少,除格尔木河设有水文站外,其余河流均无水文站(那陵格勒河仅有5年观测资料)。勘测期间,通过多次对各典型流域实地形态调查,并结合收集到的相关水文资料进行整理、分析、归纳,最终确定各大中河流设计洪水。勘测期间,主要从以下几个方面开展大中流域水文计算及分析工作。

3.1 有水文站的河流采用数理统计的方法推算设计流量,如格尔木河

本次收集到格尔木河水文站1956～1999年共40年水文观测系列,从《桥渡水文》查得格尔木河1922年调查洪水Q1%=840 m3/s,本次适线按考虑1922年特征值和不考虑1922年特征值推求百年流量,计算成果见表1,流量频率曲线见图2。

表1 格尔木河流量成果 m3/s

图2 格尔木河流量频率曲线(Cv=0.94,Cs=3Cv)

3.2 收集当地水利部门地区经验公式,按数理统计方法和形态调查法修正地区经验公式,按修正后的公式推求大中河流设计洪水

本地区大中流域汇水面积在10 000 km2以上只有格尔木河和那陵格勒河,其余河流汇水面积均在600～1 500 km2,考虑到各流域汇水面积差异较大,分别按10 000 km2以上和1 500 km2以下2种情况分别对地方经验公式进行修正。

《青海省水文手册》中,统计分析了柴达木盆地南缘西部地区年最大流量-面积经验公式,根据格尔木河水文站实测系列分析结果对手册公式进行修正,结果见表2。

表2 格尔木站实测资料分析结果与经验公式计算结果对照 m3/s

由表2可见，用经验公式法推算的结果较实测资料平均偏小13.5%。手册中百年一遇设计洪水经验公式为

Q1%=0.41×F0.77

式中，F为流域汇水面积,km2。

修正后,山口汇水面积大于10 000 km2的河流

Q1%=0.466·F0.77

对于山口汇水面积小于1 500 km2的河流,考虑到流域面积小的河流Cv值一般大于流域面积大的河流[1],需对经验公式系数进行修正。根据格尔木河流量适线结果,Cv=0.94,Cs=3Cv,参考20世纪70年代铁一院水文勘测资料,对参数修正如下,Cv=1.1,Cs=3Cv,则可得修正后地方经验公式为

Q1%=0.548·F0.77

为核查修正后的经验公式的可靠性和适用性,勘测期间分别选取了本区段典型河流进行了形态调查,结果(表3)显示修正后的经验公式与实际调查结果相差不大,可以采用。

3.3 平原漫流区设计洪水的求算

部分段落线位距出山口较远,洪水出山口后,呈漫流状态,平原区汇水面积在总汇水面积中比例较大,如本线大灶火河、中灶火河、乌图美仁河等,可采用下述经验公式计算桥位处的设计流量

Q桥址=Q山口×β+Q平原×(F平原/(F平原+F山区))[6]

式中，F平原,F山区分别为桥位处平原区和山区汇水面积,km2；β为洪峰塌缓系数。

洪峰塌缓系数随着转运河段距山口的距离增加而减小,与转用河段的河床糙率系数和河段扩散情况有关,具体计算可参见文献[1](1974年版),也可根据下游河段某一断面处的历史洪水流量与山口处的同期历史洪水流量之比确定。本线沿线地形地貌与南疆线吐库段类似,一般情况下,洪峰塌缓系数β在0.75～0.95之间[4]。

3.4 收集水利或公路部门对相同流域推算的洪峰流量,验证地方经验公式计算结果

勘测中对收集到的各种水文资料进行归纳整理,形成表格,逐一核对各种文献流量形成的背景资料,如年限、计算方法、流域范围、适用边界等,确定各河流设计洪水,见表3。

表3 典型大中河流流量验证成果 m3/s

3.5 以铁一院历次的勘测资料成果为参考,合理利用有关计算参数,核查计算结果的准确性

自20世纪50年代至2009年底,铁一院先后4次开展格库线格尔木至库尔勒的方案研究和勘察设计工作,在历次勘测工作中,对沿线主要河流做了大量的水文调查研究工作,并系统编制了完整的水文计算成果。该成果的形成经过了20多年的历程,经受了30～50年一遇较大洪水的挑战,基本上反映了沿线大中河流的水文特征。

本次勘测设计在既有成果的基础上,还补充收集了大量水文资料,对相关水文计算公式进行核查、补充完善和验证。

4 总结及建议

本文简述了格库铁路青海省境内水文工作的主要方法,针对勘测设计中遇到的问题,建议在类似工作中应注意以下几点：

(1)利用已有河流流量观测资料,修正地方经验公式,注意在同一水系河流若流域面积差别较大,有关参数应有调整,否则计算结果可能与实际差别较大；

(2)根据相同或相似流域,产汇流相同或相似的原理,可采用地区综合法等方法核查设计洪水,如本线那陵格勒河流量计算就采用了地区综合法公式

式中，Q为设计流量；F为流域面积。

(3)沿程塌缓和渗漏较为严重的河流,应主要以实际调查为主的办法核查计算结果的准确性；

(4)用其他已有资料核对计算流量时,要注意核查已有资料形成的年代、位置、边界条件等背景,综合考虑后形成最后结果。

勘测期间,笔者等勘察设计人员多次深入现场,利用航测图片和最新google地形图与实际调查相结合,通过理论计算,较合理地确定了全线大中河流的设计流量,为布设桥涵孔跨提供了依据,同时也为其他同类地区水文勘测分析提供了参考。

[1] 铁道部第三勘测设计院. 铁路工程设计手册·桥渡水文[M].北京:中国铁道出版社,1993.

[2] 中华人民共和国铁道部.TB10017—99 铁路工程水文勘测设计规范[S].北京:中国铁道出版社,1999．

[3] 青海省水利电力局水文总站编.青海省水文手册[M].西宁:青海省水利电力局水文总站,1974.

[4] 张治中.浅谈山前漫流区水文分析方法[J].铁道标准设计,2006(11)：54-56．

[5] 铁道部第一勘测设计院. 壹桥8216[Z].兰州：铁道部第一勘测设计院,1984．

[6] 铁道部第一勘测设计院. 壹桥8223[Z].兰州：铁道部第一勘测设计院,1987．

[7] 铁道部第一勘测设计院. 青新线铁路工程设计档案[R]. 兰州：铁道部第一勘测设计院,1978．

[8] 格尔木市水务局.青海省海西州格尔木河道生态修复及整治工程可行性研究[R].格尔木：格尔木市水务局,2010．

[9] 青海省水利水电勘测设计研究院.那陵格勒河水系及规划[R].西宁：青海省水利水电勘测设计研究院,2010．

[10] 李涛.鄂尔多斯地区铁路桥涵水文勘测及小流域流量分析与计算[J].铁道标准设计,2010(7)：74-76．

[11] 青海省水文地质工程地质勘察院.青海省格尔木市地质灾害调查与区划报告[R].西宁：青海省水文地质工程地质勘察院,2005．

[12] 张佰战，李付军，戴荣尧.可冲河床桥址断面壅水值的理论计算[J].铁道标准设计，2009(6)：53-54.