吐鲁番市铬渣场设计暴雨洪水分析

李树波

（吐鲁番水文勘测局，新疆 吐鲁番 38000）

0 引言

近年来，煤矿等企业的渣场建设和渣土不科学堆放，在汛期造成许多垮坝和不安全事故，给下游群众生命财产造成了巨大损失。同时，也给监管部门和建设单位敲响了警钟，必须高度重视渣场建设的暴雨洪水分析。现以沈宏铬渣场为例，对类似的渣场设计暴雨进行洪水分析。

1 概况

沈宏铬渣场位于吐鲁番火焰山北麓，介于煤窑沟河和黑沟河之间。浅山区至山前平原为巨厚的第四系地层，工程场址以北至山前区域地势由北向南倾斜，海拔高度在930 m～360 m左右，出山口有3个冲洪沟，沟长约在3.6 km～5.0 km之间，这些沟为间歇性洪水干沟，平常无水。下游洪积扇至铬渣场区域极度干燥，但在低山区或下游洪积扇平原出现持续性降水或较大的局地暴雨时，极易发生暴雨洪水。冲洪沟出山口平均距工程场址约15 km，出山口与工程场址之间有53.24 km2的荒漠戈壁区。为了确保沈宏铬渣场防洪安全，需对渣场处的暴雨洪水进行分析。

北部山区各山洪沟无历史调查洪水资料，2010年8月28日吐鲁番水文水资源勘测局专门对该区域北部山区各山洪沟进行了暴雨和洪水调查。据调查渣场以北铁路线以上有3条洪沟，沟长约在3.6 km～5.0 km之间，这些沟为间歇性洪水干沟。沟内植被稀少，山体裸露，沟口海拔一般在900 m左右，属干旱浅山区地带。山沟流域面积较小，合计仅有14 km2，加上铁路线以下至渣场43.24 km2荒漠戈壁区，总面积57.24 km2，地面坡降为23.3‰，下垫面状况相对均匀，故在雨强大于渗强的条件下，主要以地表坡面产、汇流方式产生径流。

2 暴雨洪水特性分析

2.1 暴雨成因分析

根据气象资料统计分析，吐鲁番市暴雨主要是由以下几种天气类型产生：

（1）锋区波动型。南支锋区多短波活动，这些东移的短波若遇到北支冷空气，吐鲁番地区可产生局地大降水。

（2）中亚横槽或倾斜槽型。欧洲脊前乌拉尔山东南到西西伯利亚为一横槽，或东北—西南向倾斜槽，当高空东北方有冷空气向南移，侵入该区上空时，则产生不稳定层，结果造成对流发展，出现阵性降水。

（3）低涡型。当低涡大降水一旦影响到这一区域时，有时降水时间较长、范围大、可出现连续大降水。如1958年8月11日～15日、1960年6月18日、1984年6月17日～24日等几次大降水，大多是低涡系统影响所致。

2.2 暴雨特性

天山南坡山溪性河流[1]，洪水多由暴雨产生，各流域暴雨有以下特点：暴雨主要发生在夏季（6月～8月），山区发生暴雨机率比平原区多，暴雨的时空分布极不均匀；局部性暴雨历时短（一般暴雨历时不超过6 h），笼罩面积小；暴雨中心位置在中、高山区；暴雨次数与量级比新疆其它山区少而小。

2.3 铬渣场北部洪水特性

铬渣场北部山洪沟为间歇性洪水干沟，中下游冲洪积扇区极度干裂，当在中低山区或下游洪积扇平原出现持续性降水和较大雨强的局地暴雨时，极易形成洪水，一般发生在6月～8月之间，洪水具有陡涨陡落、过程单一、峰型尖瘦、历时短、峰高量小等特性。

3 工程场址设计暴雨洪水计算

渣场工程场址位于煤窑沟与黑沟河之间，前方北侧至山前与3条山洪沟相接，集水面积14 km2，铁路线以下至渣场有43.24 km2荒漠戈壁区，总面积57.24 km2。鉴于山沟流域面积较小，为便于分析计算，本次暴雨洪水计算将3条山洪沟与荒漠戈壁区同视为一个区域合并计算。渣场场址洪水多由暴雨形成，汇流面积较小，缺乏基本水文资料，根据规范无资料地区设计暴雨可使用省区暴雨洪水图集作为设计依据。本次暴雨洪水计算主要以调蓄经验单位线法和推理公式法推求洪水过程，两种方法经比选后最后推荐计算成果。

3.1 调蓄经验单位线法

（1）设计暴雨计算

从天山北坡暴雨特性来看,一般小流域可用24小时设计暴雨来推求。新疆以日降水≥10 mm作为一次大降水，日降水量≥25 mm为暴雨。根据《新疆维吾尔自治区可能最大暴雨图集》，查出本流域年最大24小时设计暴雨，H24=11.5 mm，再从“年最大24小时雨量变差系数等值线图”查出本流域CV=0.75，CS/CV=3.5，推求流域不同频率24小时点雨量值，然后用时面深曲线查出点面折算系数，H面=0.99H点，用折算系数转换成各频率的面雨量。查P-Ⅲ曲线模比系数表，频率P=0.2%，Kp=5.38，计算得500年一遇点、面雨量分别为62 mm、61.4 mm。

（2）面雨量时程分配

根据《新疆可能最大暴雨图集》，上游中心多年平均24 h暴雨量H24=11.5 mm，从“天山北坡区概化雨型”图上摘录雨量时程分配，并推求其与各种频率的面雨值的乘积，即将各种面雨量的逐时的设计面雨量过程，计算结果见表1。

表1 设计流域五百年一遇面雨量时程分配表

（3）产、汇流计算

根据面雨量时程分配过程，可初步假设各种频率产流历时tc为3小时，求出相应的各种频率产流净毛雨量Ptc为6.437 mm，净雨总量为19.31 mm，再用tc和Ptc值在《中小流域设计暴雨资料图集》中查出产流期平均损失率f值为8.96 mm；用f值去切割面雨量过程，径流系数α为0.278，经计算，渣场前五百年一遇暴雨洪水产、汇流洪峰流量44.6 m3/s。

3.2 推理公式法

推理公式如下：

式中：Qm为洪峰流量，m3/s；h为在全面汇流时代表相应于τ时段的最大净雨，mm；F为流域面积，57.24 km2；τ为流域汇流历时，5h；m为汇流参数，北方干旱无资料地区根据θ值不同，m值变化在1.0～1.8之间，取0.709；L为沿主河道从出山口断面至分水岭的最长距离,13 km；J为沿流程L的平均比降，23.3‰；θ为L/J1/3，16.55。

以上地形参数从1/10万地形图上量算而得。根据参数使用推理公式计算程序，分别计算洪峰流量，计算出区域500年一遇洪峰流量为126 m3/s。

3.3 推荐计算成果分析

前面用了两种方法进行工程场址区暴雨洪水计算，推理公式是一种暴雨成因推理分析与经验相关分析相结合的方法，但其中的产、汇参数是由水文软件中查算，由于本地区缺乏实测资料，参数的选取具有一定经验性。调蓄经验单位线法是选择不同地区的暴雨类型和设计暴雨，进行洪水计算。推理公式法500年一遇洪峰流量为126 m3/s，调蓄经验法500年一遇洪峰流量为44.6 m3/s，两种方法计算的结果相差较大，这主要是因为在工程场址缺乏暴雨资料，计算时所依据的参数为可能最大暴雨图集查的，存在不确定性，所以计算结果偏小。考虑工程的安全性和偏于安全的取值要求，推荐推理公式法计算成果，这也是考虑到设计流域下垫面、流域面积、河长、坡降等特征值，也符合小流域的暴雨洪水规律。

4 工程场址设计洪水位推求

4.1 渣场前洪水行洪路线说明

本次洪水大断面选择在渣场前50 m处，大断面布设（东西方向）测量宽度为820 m，断面无明显起伏变化。由于洪水在荒漠戈壁地带呈显到处漫流状态，加之无固定洪水控制断面，所以首先应考虑暴雨洪水对工程最为不利的情况下，即假定渣场以上区域发生500年一遇暴雨，洪峰流量为126 m3/s时，洪水集中后在到达渣场前50 m左右已分流行洪,再经过渣场背后两条支流汇合流向下游，从火焰山缺口出流。根据大断面测量成果，分流后主流在渣场东侧，西侧略小。经过分析计算500年一遇洪水洪峰流量渣场东侧为75.6 m3/s，西侧为50.4 m3/s，渣场背后两条支流汇合处洪峰流量仍为126 m3/s。

4.2 设计洪水位推求

4.2.1 建立断面水位流量关系

在野外勘测的基础上，依据实测大断面和上、下游各500 m河段实测河床纵比降成果，同时合理分析取用断面河床质的糙率，采用曼宁公式分别计算不同水位的相应流量，从而建立水位流量关系。实测大断面图及水位流量关系推算见图1～图2。

图1 渣场前（北侧）50 m实测大断面图

图2 渣场前（北侧）50 m水位流量关系图

4.2.2 水位流量关系及设计洪水位计算

依据实测大断面成果，分别计算不同水位的水力半径和断面面积，用实测的水面比降、分析得出的糙率，采用曼宁公式推出不同水位的相应流量，从而建立各断面的水位流量关系，并给出相应的500年一遇设计洪水水位。渣场各断面设计洪水位计算成果见表2。

表2 渣场各断面设计洪水位计算成果

5 结论

铬渣场建设对工程的防洪要求较高，因为水文资料缺乏，采用调蓄经验单位线法和推理公式法分别对计算渣场500年一遇洪水，并在野外勘测的基础上，对渣场的前后左右洪水位进行了分析计算。综合各方面因素，从偏安全角度考虑，计算出工程处500年一遇洪峰流量为126 m3/s，渣场北洪水位为357.494 m，为渣场工程建设和后期管理提供了科学依据。