柴窝堡白杨沟洪水分析计算

刘乃祥

(乌鲁木齐水文勘测局，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 流域概况

1.1 自然地理

白杨沟位于乌鲁木齐市达坂城区，属于柴窝堡湖非常重要的水源之一，在地理位置方面来看，在河流西方有着三个主要的山河，河流北方是天山北坡，河流南侧平原，平原表面有倾斜的特点，在河流下游是非常著名的柴窝堡湖。白杨沟地理位置示意图见图1。

图1 白杨沟地理位置示意图

在河流水系方面来看，白杨沟的源头是博格达峰，在源头有大面积的冰川，河流整体长度为26.5 km，河道内部的平均比降是10‰。通过计算，白杨沟平均年径流量是0.26×108m3，在每年的6月～8月之间，水量会出现明显增长态势。白杨沟整体河面展开，河滩具有开阔特点，实际的坡降随着时间变化减小，同时也是附近居住民的主要生活水源之一。

1.2 气候特征

白杨沟流域地处欧亚大陆腹地，呈现温带大陆荒漠干旱气候的特点。降水量年际变化大，季节性分配不均匀，多集中在春、夏两季。以乌鲁木齐气象站为代表站，统计67年气象资料。多年平均降水量为235 mm；多年平均气温为6.5℃；多年平均蒸发量为2291 mm(20 cm口径蒸发器)；多年平均风速2.55 m/s；最大冻土深度1.62 m。

2 水文资料

白杨沟流域无水文站，为满足本次分析计算的要求，选取了阜康白杨河水文站作为参证站，该水文站观测项目有水位、流量、悬移质输沙率、水温、降水量、蒸发量、气温等。

在进行洪水研究过程中，参证站水文测试结果良好，资料整编方面较为规范，整个过程都是按照程序进行测算的，通过统一编制得出最终数据。研究中对所有数据都进行了全面复核，资料数据具有可靠性和稳定性。在进行一致性分析过程中，对实际情况造成影响的主要因素有人文活动、区间饮水以及断面计算情况等，在现实的角度来讲，迁移距离之间没有任何的支流融入，在进行断面测试中没有受到人员活动的影响，使用的洪水资料具有一致性。

3 洪水成因及类型

洪水成因错综复杂，本文通过实际的研究得出白水沟洪水形成的主要原因为暴雨、洪水和冰川融水等，在洪水类型方面主要出现了消融型洪水和混合型洪水等不同类型。消融型洪水指的是跟一般的洪水特征具有一定的相似性，对于固定的断面也能找出一定规律，洪水会随着气温和冰川面积的变化发生改变，在一般的情况下，洪水规模相对较小，实际的特点表现也没有发生很大变化，洪量和洪峰之间有着直接关系。混合型洪水是暴雨和其他类型的洪水进行混合，洪水发生的主要阶段在6月～8月份之间，受到附近环境和天气等方面的影响，水面会逐渐提升，水流量也会快速增加，洪水流量时间相对较长，同时也构成了严重的洪水灾害[1]。

4 设计暴雨计算

设计暴雨计算采用频率分析法，采用乌鲁木齐气象站67年最大一日降水量系列资料作频率曲线，推算出不同频率设计最大一日降水量。点面折算系数采用1.0，将最大一日暴雨乘以转换系数，求得最大24小时暴雨均值。转换系数采用全区统一值1.13。表1显示了最终的计算结果。乌鲁木齐气象站最大一日降水量频率曲线见图2。

表1 设计暴雨计算成果表

图2 乌鲁木齐气象站最大一日降水量频率曲线图

5 设计洪水计算

该地区在进行洪水计算时，无相关水文资料，为满足实际计算需要，需采用多种不同的计算方法，对结果进行综合分析，选取符合实际要求的计算结果。本次计算方法采用单位线法、推理公式法[2]和水文比拟法。

5.1 单位线法

本文首先介绍了近距离逐时雨量的研究情况，根据典型雨型逐时雨量分配百分比，推求其与各频率面雨量的实际乘积，得到逐时设计面雨量过程，这就是频率段逐时雨量的计算方法。设产流量持续时间和平均损失率分别为t和f，从而得出实际降雨量为Ptc，验证了该方法的可行性。

所用计算公式是：

(1)

R净=Ptc-f×tc

(2)

在设定参数为tm的情况下，那么涨洪时段就为n，在这种情况下进行汇流计算时段Δt。使用式(3)可以得出线公比b[3]。

(3)

将Δt阶段产生的净雨量转换成流量Ii可以得出公式(4)。

(4)

Ii乘以u值，当基流和洪水线明确时，洪峰与降水量最大值可以相互转换，从而可以说明实际的径流过程，并可以计算出一天的洪量。

本文通过实际的计算，得出断面设计洪峰流量成果见表2。

表2 断面设计洪峰流量成果表

5.2 推理公式法

在使用推理公式法进行洪水量推算过程中，需要使用下列基本公式：

(5)

(6)

(7)

式中：Qmp代表的为设计中的实际洪峰流量，m3/s；Sp表示的为设计中的实际雨力，mm/h；τ表示的为设计的中汇流经历时间，h；n表示的为现实环境中暴雨衰减指数状态；μ表示的为降雨过程中产生的平均耗损率，mm/h；tc表示的为雨水流转历时，h；m表示的为雨水汇流参数；F表示的为洪水流域面积，km2；L表示的为主河出发到沿线之间最长的距离，km；j表示的为平均比降，平均比降需要通过小数的方法进行计算。

这就要求在计算时，既要注意汇流状态，也要注意分流状态，当tc<τ时为汇流状态，当tc<τ时为完全汇流状态。计算过程中，应以实际流域为基础，选取一定的计算区域进行计算，具体得到的参数见表3[4]。

表3 小流域情况下条件分类表

将以上参数及乌鲁木齐气象站最大24 h设计降水量代入公式，得出断面设计洪峰流量成果见表4。

表4 断面设计洪峰流量成果表

5.3 水文比拟法

采用水文比拟法时，以阜康白杨河水文站作为参证站，绘制出符合实际情况的频率曲线，并通过该方法确定洪峰流量参数，图3为参证站洪峰流量频率曲线，计算结果见表5。

图3 参证站洪峰流量频率曲线图

表5 参证站洪峰流量成果表

水文比拟法计算公式如下：

Qs=(Fs/Fc)n×QC，n=2/3

式中：QS、QC分别为设计流域和参证站洪峰流量，m3/s；Fs、FC分别为设计流域和参证站集水面积，km2。

运用水文比拟法时，流域面积对最终计算结果有直接影响，因此，对流域面积的确定具有重要意义，设计时应根据计算结果对实际情况进行修正，并可根据修正后的公式计算出实际洪峰流量。根据公式计算得出断面设计洪峰流量成果见表6。

表6 断面设计洪峰流量成果表

6 设计洪水合理性分析及结果建议

6.1 单位线法

由于没有准确的观测资料，因此在试验中采用了实测降水资料，但由于受许多外部因素的影响，在24小时内得出的降水资料也是由转换系数转化而成，不能从实际角度确定准确的降水量。本试验所用的数据图和产流图都有一定的随意性，因此需要引起重视，本试验方法不推荐。

6.2 推论公式法

运用推理公式法时，需要在初期对流域和洪水洪峰等多个因素进行分析，同时也要考虑暴雨设计、区域面积、河长和河道宽度等多个因素，这些因素相互影响，加之测度方面的差异，造成推理结果的偏差，稳定性和适应性方面存在严重不足，因此也不推荐采用。

6.3 水文比拟法

用水文比拟法可利用精确的洪峰流量，对流域及有关参数、流域面积等问题进行修正，得到精确的洪峰流量。与前两种方法相比，该方法更安全、更稳定。故推荐使用该方法计算的设计洪峰流量成果。

7 结论

本文针对白杨沟基础资料进行了收集，最后针对工程区域涉及到的洪水进行了分析计算，通过研究得出使用水文比拟法更加合理。白杨沟是山区型河流，洪水涨落急剧。本文结合水文气象概况，计算得到了不同频率下设计洪水，本次设计成果符合该地区暴雨洪水特点，设计洪水成果基本合理。