乌恰地区洪水分析计算方法的适用性探讨

(新疆地质工程勘察院，新疆 乌鲁木齐 830091)

泥石流是山区较为常见的地质灾害。在中国西南地区，每年因泥石流地质灾害的爆发，造成的损失相当巨大，泥石流灾害的防治显得非常重要。作为泥石流防治工程的重要设计参数，洪水分析计算在防治工程设计经济合理性、技术可信性及安全可靠性方面是关键的技术参考。

1 项目区概况

研究区位于克孜勒苏柯尔克孜自治州乌恰县红山新村。研究区为一个涵盖泥石流形成-流通区、堆积区以及泥石流灾害影响区的区域，通过水文分析，红山新村泥石流沟流域集水面积10.36 km2。红山新村泥石流沟位于卓尤勒汗苏河西岸，总地势西高东低，泥石流沟呈东西向展布，形成西、南、北三面环山，中间为泥石流形成区和流通区，向东开口堆积的地形。该石流沟为一个季节性的洪水沟，只有在春季融雪及降雨时，沟道中才会有水流下泄，洪水流入桌尤勒汗苏河，再汇入克孜勒苏河。乌恰县总体地貌特征是一克孜勒苏河为界，，以北为南天山山脉西段，以南为帕米尔高原、昆仑山麓，东南部是喀什三角洲冲击平原区。乌恰县境内地域辽阔，地形复杂，地势高差悬殊，气候垂直分布明显。气候特征是气温随海拔升高而递减，降水随海拔升高尔增加，干燥度随海拔增高尔减小。乌鲁克恰提乡属于中温带大陆性干旱气候，日照时间长，降雨量稀少，年平均气温5.5℃，一月平均气温-9.6℃，由于处在逆温层内，冬天不十分寒冷。最热约为七月份，平均气温18℃，年降水量约140 mm，无霜期115天全年日照时数为2 800 h，日照百分率全年平均63.5%。年平均气温7.5℃，最冷月为一月，平均气温-8.0℃，最热月份为7月，平均温度20℃。降水量平均140 mm，降水季节不均，夏季降水量占全年降水量的80%，无霜期为140 d。根据《新疆地表水资源评价》(新疆水文水资源局，2005年)中绘制的1956～2000年新疆维吾尔自治区多年平均径流深等值线图，在1：25万的克孜勒河流域多年平均径流深等值线图上量算得出红山新村泥石流沟径流系列截至2000年的多年平均年径流量为51.79×104m3，再用克孜勒河水文站长短系列订正至2015年，订正系数1.007，推算出红山新村泥石流沟多年平均设计年径流量52.15×104m3。然后借用克孜勒河水文站的统计参数计算不同保证率下年径流量，红山新村泥石流沟设计年径流量计算成果见表1。

表1 红山新村泥石流沟设计年径流量计算成果表

2 洪水分析

2.1 洪水成因及类型

根据红山新村泥石流沟所处地理位置及该区域内的气候特征分析，该山洪沟属季节性山洪沟，流域的暴雨是山洪沟洪水形成的主要原因。

暴雨洪水是在区域内中、低山区发生持续性降水和较大雨强的局地暴雨时，流域超渗产流而形成的洪水，产流区山势陡峻,流域调蓄能力弱,降雨回流时间短,洪峰往往起涨猛，峰顶持续时间短，落势也快，峰高量小，过程单一，突发性强，破坏性极大，往往造成较大的洪水灾害。

2.2 降雨资料系列的代表性分析

2.2.1 降雨资料系列可靠性分析分析

乌恰县气象站为国家基本气象站，其气象要素测验规范，观测项目较齐全。所有观测项目和观测数据整编均符合国家行业技术规范的标准和要求，数据成果可靠，可以满足水文分析计算要求的需求。

2.2.2 降雨资料系列代表性分析

由于红山新村泥石流沟位于季节性干沟中，流域集水面积仅10.36 km2，对于此种小流域设计洪水的计算，目前应用较为广泛的方法都是建立在区域暴雨资料基础之上的，为了使最终计算的设计洪水成果更为精确，因此本次首先对区域降水资料进行代表性分析。

根据《新疆维吾尔自治区可能最大暴雨图集》，新疆的暴雨历时一般不超过24 h，但由于大多气象站1 h和6 h的暴雨资料缺乏，且目前较为成熟的暴雨洪水的计算方法都是建立在最大24 h暴雨基础之上的，因此本次选用区域最大一日降雨资料作为暴雨资料，然后再根据最大一日降雨和最大24 h降雨的折算系数求得区域最大24 h的降水量。

红山新村泥石流沟位于乌恰县克孜勒河境内，流域内距离山洪沟70 km的乌恰县城设有乌恰县气象站。本次以乌恰县气象站1980～2015年的最大一日降雨资料作为设计洪水计算的基础资料。其代表性分析如下：

(1)长短系列统计参数对比分析

将乌恰气象站最大一日降雨系列资料以2010年作为截止年份向前推，选取不同长度的降雨系列，采用矩法分别估算降雨系列统计参数均值和Cv值，计算成果见表2。从表中可看出，随降雨系列长度的增加，其系列均值和Cv值逐渐趋于稳定。而且当降雨系列长度达25 a以上时，系列均值在25.12～26.24之间波动，Cv值在0.295～0.300之间波动，其相对误差均很小。

表2 乌恰县气象站最大一日降雨系列统计参数(矩法估算值)对照表

(2)模比系数差积曲线分析

乌恰县气象站最大一日降雨系列自1985～1992年为一段较长的少降雨年段，1993～1998年又经历了一段降雨两接近多年平均的时段，1999～2001年为一段降雨偏多年段，2002～2005年又经历了一段降雨两接近多年平均的时段，2006～2008年为一段较长的少降雨年段，2009～2012年为一段降雨偏多年段， 2003～2015年为降雨偏少年段的起始年段。乌恰县气象站最大一日降雨系列经历了丰枯年段，降雨偏多年段与降雨偏少年段基本平衡，说明乌恰县气象站最大一日降雨系列有一定的代表性。

(3)模比系数累积平均曲线分析

从图中可看出，该曲线呈现一定的收敛性，其模比系数累积平均值随降雨系列长度的增加而呈逐渐减小的趋势，均值渐趋稳定。当降雨系列长度超过20年时，逐渐趋近于1，均值在1附近波动，振幅较小，相对误差较小。

图1 乌恰县气象站最大一日降雨模比系数累积平均曲线

通过以上三性分析可知，乌恰县气象站的最大一日降雨资料系列代表性较好，可以作为本项目设计洪水计算的基础资料。

2.3 泥石流沟设计洪水计算

由于红山新村泥石流沟流域缺乏洪水数据，所以，本次红山新村泥石流沟设计洪水分析计算，遵循多种方法，综合分析，合理选用的原则，针对红山新村泥石流沟流域的洪水成因及其特性，分别采用在无数据或缺乏数据地区小流域设计洪水计算中常用的推理公式法、调蓄经验单位线法和地区综合经验公式法等方法进行红山新村泥石流沟设计洪峰流量及各时段洪量计算。

2.3.1 推理公式法

研究区采用水利科学研究院推理公式，推理公式法又称合理公式，是利用暴雨数据推求小流域设计洪水的常用方法之一。

依据国家行业标准《水利水电工程设计洪水计算规范》(SL44-93)、《水利水电工程设计洪水计算手册》等技术数据，并结合该流域的下垫面条件情况，分别选用不同的参数，采用推理公式法，推算设计洪峰流量。

计算公式如下：

(1)

(2)

其中：

(3)

(4)

(5)

(6)

由于在设计条件下，一般都是tc≥τ，因此，利用上述公式，采用迭代试算法求设计洪峰流量，红山新村泥石流沟设计洪峰流量计算成果见表3。

2.3.2 调蓄经验单位线法

调蓄经验单位线法也是利用暴雨数据推求小流域设计洪水的常用方法之一。

根据《新疆维吾尔自治区可能最大暴雨图集》(1983年5月)和《新疆维吾尔自治区中小流域设计暴雨洪水图集》及上世纪九十年代初新疆水文水资源局对新疆小流域暴雨的研究成果，其方法和步骤与推理公式法中的相关内容相同。乌恰县气象站设计暴雨计算成果见表4。

计算公式如下：

i净=R净/tc

R净=Ptc-ftc

b=(T0-0.5△t)/(T0+0.5△t)

ui=(1-b)bi-1

u1=(1-b)

u2=(1-b)b

n=(tm/△t)+1

Ii=FR净/3.6△t

红山新村泥石流沟设计洪峰流量及各时段洪量计算成果见表4。

表3 红山新村泥石流沟设计洪峰流量成果表(推理公式法)

表4 红山新村泥石流沟设计洪峰流量成果表(调蓄经验单位线法)

2.3.3 地区综合经验公式法

地区经验公式法是指在一定区域内，洪峰流量与主要因素之间的经验关系。洪峰流量和其他水文要素一样，是气候和下垫面众多因素综合作用的结果。

由于对洪峰流量资料处理方式及采用的参数不同，可以组合成众多形式的经验公式。研究区根据不同的参数采用以下三种经验公式对红山新村泥石流沟的设计洪峰流量进行计算，以求更为合理的成果供设计部门使用。

(1)经验公式一

根据《桥梁水力水文》(俞高明编)中的经验公式如下：

QP=ψ(Sp-μ)m·Fλ

(7)

式中：ψ、m、λ为经验指数。根据项目所在区域的下垫面条件，研究区流域特征更符合土石山植被特征，因此本次ψ取0.035，m取1.5，λ取0.8。将以上确定的各项参数代入公式，可求出红山新村泥石流沟设计洪峰流量，计算结果见表5。

表5 红山新村泥石流沟设计洪水成果表(经验公式一)

(2)经验公式二

根据《水文分析与计算》(河海大学，刘光文主编)中地区经验公式的演变，如下：

QP=h24pα·Fn·Jm

(8)

式中：α、n、m为经验指数。根据阿图什地区以往经验成果，α取0.6，n取0.5，m取0.1。

将以上确定的各项参数代入公式，可求出红山新村泥石流沟设计洪峰流量，计算结果见表6。

3 分析方法对比分析

研究分别采用推理公式法、调蓄经验单位线法和地区综合经验公式等三种方法推算红山新村泥石流沟设计洪水，根据对上述三种方法推算出四种红山新村泥石流沟设计洪水计算成果(见表3、表4、表6、表7)比较和分析可以看出：

调蓄经验单位线法是在单位线法的基础上结合新疆实际情况的改进，对新疆小流域设计洪水的推求，是较为实用的方法之一。但考虑到调蓄经验单位线的

汇流参数T0和tm值均直接来自实测洪水过程线的宏观分析，且该方法的计算结果在四种方法的计算结果中偏小太多，这主要是由于新建尾矿库坝址以上的集水面积太小的原因，且该方法无法考虑流域的下垫面情况，因此不予推荐调蓄经验单位线法的计算结果。

推理公式法也是推求新疆小流域设计洪水较为实用的方法之一，尽管该方法中所需确定的参数较多，且缺少流域或流域附近区域的相关实验分析数据，只能借用其它地区的实验分析数据，但是只要项目区的暴雨资料系列比较完整，代表性好，计算精度还是比较好的。该方法对于这种集水面积很小的流域，由于其沟长短，坡降大的特点，导致汇流时间短，形成的洪水往往也具有较大的破坏力，这些因素在推理公式法中都完全可以体现，其计算结果在本次所有方法的计算结果中也是偏于安全的，因此本次推荐推理公式法的计算结果。

地区经验公式法的两种类型中，经验公式一与经验公式二的结果相差很大，主要是由于经验公式二中最大24点雨量加上经验指数α后，使该公式计算的不同频率的洪峰流量相差不大，与实际情况不符；而经验公式一计算的结果与其他方法的计算结果偏小太多，因此经验公式一和经验公式二的计算结果均不予推荐。

4 结语

通过对上述四种计算法的对比分析，确定在南疆乌恰地区采用推理公式发计算出的设计洪峰流量最接近现场实际情况，在今后的计算中可作为参考。

[1]新疆水文水资源局.新疆维吾尔自治区地表水资源评价.2005.9.

[2]新疆水文水资源局编.工程水文分析计算.2003.2.

[3]泥石流灾害防治工程勘查规范(DZ/T0220-2006).

[4]泥石流灾害防治工程设计规范(DZ/T0239-2004).

[5]岩土工程勘察规范(GB50021-2009).2009.

[6]工程岩体试验方法标准(GB/T50266-1999).

[7]水利学.中国建筑工业出版社.

[8]农田水利工程.科学出版社.