楊飛

摘 要：基于西北地區(qū)某公路項(xiàng)目水文計(jì)算的需要，針對(duì)跨越缺乏流量觀測(cè)資料河流某橋梁，本文通過(guò)采用全國(guó)水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法、新疆地區(qū)公路橋涵水文參數(shù)研究經(jīng)驗(yàn)公式法以及面積比擬法三種不同方法進(jìn)行推算，通過(guò)比較可得三種方法結(jié)果偏差不大，其中全國(guó)水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法與面積比擬法計(jì)算結(jié)果偏差僅4.35%，分析認(rèn)為在缺乏流量觀測(cè)資料情況下采用間接的或經(jīng)驗(yàn)性的資料進(jìn)行多種方法計(jì)算，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，可以得到比較合理的設(shè)計(jì)洪水流量結(jié)果，為區(qū)域內(nèi)其他類似工程推算設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算提供參考。

關(guān)鍵詞：水文計(jì)算;經(jīng)驗(yàn)公式法;面積比擬法;設(shè)計(jì)洪水流量

0 引言

某公路項(xiàng)目位于西北地區(qū)，設(shè)置大橋跨越一條季節(jié)性河流，需對(duì)工程斷面處進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算，由于河流干流經(jīng)出山口后在沖積扇呈散流狀態(tài)，無(wú)明顯河床，且上下游無(wú)水文站，只能利用間接或經(jīng)驗(yàn)性的資料對(duì)其洪水流量進(jìn)行推算。

1 流域概述

1.1 項(xiàng)目區(qū)地形地貌

本項(xiàng)目區(qū)域位于博格達(dá)山脈南側(cè)、天山北坡，跨越天山山脈主脈與東天山的銜接地帶，總體呈現(xiàn)中前段（東南）高，西北部低的態(tài)勢(shì)。

該公路項(xiàng)目位于天山以北沖積、洪積平原上，海拔高度1 000 m～1 200 m。地勢(shì)自南向北微傾斜，地形平坦開(kāi)闊，路線呈東西走向，沿沖、洪積扇中部尾部通過(guò)，呈現(xiàn)荒漠和農(nóng)耕景觀，所在地區(qū)為中溫帶半干旱大陸性氣候，屬綠洲―荒漠區(qū)，公路自然區(qū)劃屬Ⅵ2區(qū)。

1.2 項(xiàng)目區(qū)域氣象

項(xiàng)目區(qū)地處亞歐大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，具有強(qiáng)烈的大陸性干燥氣候，夏季炎熱、冬季寒冷漫長(zhǎng)，雨量較少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年、日溫差大，春秋氣溫升降劇烈，無(wú)霜期較長(zhǎng)，總體屬溫帶大陸性氣候。

1.3 項(xiàng)目區(qū)水系

項(xiàng)目區(qū)地表水系主要有：烏魯木齊河水系和柴窩堡湖水系，其次為項(xiàng)目東北及西南部天山坡面降雨而匯集的洪積扇面水流和山溝瞬時(shí)洪流等。烏魯木齊河水系發(fā)源于天山天格爾峰北側(cè)的一號(hào)冰川，由南向北流出山口后與南山一條河流匯合，經(jīng)山前洪積—沖積平原，流向?yàn)趵赐莸?，穿過(guò)市區(qū)、紅山嘴埡口及北郊平原進(jìn)入五家渠市境內(nèi)的猛進(jìn)水庫(kù)，全長(zhǎng)210 km，年平均徑流量2.35億立方米，流域面積5 128.04 km2，其中冰川面積38 km2。柴窩堡湖水系無(wú)干流，是由中天山的喀拉烏成山北坡、博格達(dá)山流入柴窩堡盆地的地表徑流、潛水和柴窩堡盆地內(nèi)的湖泊、沼澤等組成的閉合性水系，主體為柴窩堡湖。

項(xiàng)目區(qū)地下水主要分為基巖裂隙水、第四系松散層孔隙水。其中孔隙水富含量大，分布較為廣泛，而基巖裂隙水則較不豐富。

1.4 橋位處涉及河流概況及暴雨洪水特點(diǎn)

該橋梁涉及的河溝主要為小東溝和張家溝。小東溝、張家溝均位于中天山東部天格爾山，發(fā)源于北麓中低山帶。兩河溝相毗鄰，由西向東依次為小東溝和張家溝。兩河溝西側(cè)主要為板房溝流域，東側(cè)主要為烏什城溝流域，南部為天山山脈，向北匯入柴窩堡湖。兩河溝流域內(nèi)沒(méi)有冰川及永久性積雪，均為季節(jié)性洪溝，小東溝流域面積相對(duì)較大，出山口以上流域面積為194 km2，流域最高點(diǎn)海拔為2 840 m;張家溝流域面積相對(duì)較小，出山口以上流域面積為11.3 km2，流域最高點(diǎn)海拔為2 421 m。兩河溝流域均呈羽狀水系，出山口以上為產(chǎn)流區(qū)，干流經(jīng)出山口后在沖積扇呈散流狀態(tài)，其中張家溝在出山口下游附近匯入小東溝。張家溝匯入小東溝后，洪水散流至橋位附近，受簡(jiǎn)易導(dǎo)流堤引導(dǎo)至柴窩堡湖方向。

2 暴雨及洪水特性

2.1 暴雨特性

小東溝、張家溝流域?qū)贉貛Т箨懶詺夂?，為干旱半干旱區(qū)域。來(lái)自太平洋、印度洋的暖濕氣流因受高山阻擋不易進(jìn)入內(nèi)陸區(qū)，而來(lái)自大西洋、北冰洋的冷濕氣流可隨西風(fēng)環(huán)流進(jìn)入，它是小東溝、張家溝的主要水汽來(lái)源。

小東溝、張家溝流域內(nèi)均無(wú)氣象站點(diǎn)，小東溝、張家溝流域處天格爾峰西側(cè)的暴雨中心邊緣。從地形條件而言，小東溝、張家溝流域具有相同的水汽來(lái)源，因此其暴雨理論上也具有一定的相似性。

2.2 洪水特性

小東溝、張家溝流域內(nèi)無(wú)冰川及永久性積雪，因此洪水主要以暴雨洪水為主。由于各河溝流域面積較小，不利于積雪的大量?jī)?chǔ)存，春末夏初的融雪型洪水一般較小。

3 設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算

該橋梁為高速公路大橋，設(shè)計(jì)洪水頻率為1/100。采用全國(guó)水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式、新疆地區(qū)公路橋涵水文參數(shù)研究經(jīng)驗(yàn)公式以及面積比擬法三種不同的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算，通過(guò)對(duì)比分析三種不同結(jié)果，合理確定設(shè)計(jì)洪水流量。

3.1 全國(guó)水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式方法

全國(guó)水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式使用范圍為流域面積小于50 000 km2的河流。

經(jīng)驗(yàn)公式的使用方法：由平均流量，根據(jù)C，n值，求算;再由值，查得值，計(jì)算（是指模比系數(shù)）。

根據(jù)《公路橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)橋位設(shè)計(jì)》（第二版），本項(xiàng)目全線水文分區(qū)為天山北坡區(qū)，水文分區(qū)編號(hào)74（天山北坡區(qū)）。其中：

按照最不利的參數(shù)計(jì)算：

全國(guó)水文分區(qū)計(jì)算公式自身的平均誤差統(tǒng)計(jì)值為45%，最大誤差為129%。

在1：50 000的地形圖上勾繪出集水面積為257.4 km2，根據(jù)全國(guó)水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出設(shè)計(jì)洪水流量結(jié)果為243.9 m3/s。

3.2 新疆地區(qū)公路橋涵水文參數(shù)研究經(jīng)驗(yàn)公式

按照新疆地區(qū)公路橋涵水文參數(shù)研究中的設(shè)計(jì)流量參數(shù)Qo、Cv、Cs及分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式的研制成果：由平均流量，根據(jù)C，n值，求算;再由值，查得值，計(jì)算（是指模比系數(shù)）。

本項(xiàng)目全線水文分區(qū)為天山北坡區(qū)，水文分區(qū)編號(hào)74-1。其中：

按照最不利的參數(shù)計(jì)算：

新疆水文參數(shù)取自《新疆橋涵水文參數(shù)研究》中的第74-1分區(qū)（天山北坡博樂(lè)精河木壘分區(qū)），新疆水文分區(qū)計(jì)算公式自身的平均統(tǒng)計(jì)誤差為42%，最大誤差為92%。

在1：50 000的地形圖上勾繪出集水面積為257.4 km2，根據(jù)新疆地區(qū)公路橋涵水文參數(shù)研究經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出設(shè)計(jì)洪水流量結(jié)果為229.2 m3/s。

3.3 面積比擬法

3.3.1 出山口設(shè)計(jì)洪峰流量

該橋涉及的小東溝、張家溝，均位于板房溝河與烏魯木齊河?xùn)|側(cè)，其出山口斷面以上控制流域面積分別為194 km2、11.3 km2;以附近烏魯木齊河英雄橋水文站為參照站，英雄橋水文站控制流域面積924 km2。以英雄橋水文站設(shè)計(jì)洪峰流量成果為參證，采用面積比擬法計(jì)算各河溝出山口斷面處的設(shè)計(jì)洪峰流量，計(jì)算過(guò)程中，面積指數(shù)取2/3。

經(jīng)計(jì)算，各河溝出山口斷面處設(shè)計(jì)洪峰流量成果如表1所示。

3.3.2 橋位斷面設(shè)計(jì)洪峰流量

小東溝、張家溝經(jīng)山前沖洪積扇的汊流、衰減后，到達(dá)橋位附近。橋位處修建有簡(jiǎn)易導(dǎo)流堤，將上游來(lái)洪逐步由西南向東北方向歸集并導(dǎo)流至柴窩堡湖中，本橋梁跨越斷面位于導(dǎo)流堤中段。由于上游來(lái)洪較為散亂，不能確定洪水在導(dǎo)流堤沿程的匯入分布情況，偏安全考慮，按所有洪水均在橋梁跨越斷面上游匯入導(dǎo)流堤計(jì)算。

出山口以下河段洪水衰減分析：

小東溝、張家溝洪水經(jīng)出山口后到橋位斷面的沿程衰減規(guī)律，參考附近區(qū)域?yàn)豸斈君R河河道衰減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)烏魯木齊河英雄橋水文站和烏拉泊水文站實(shí)測(cè)洪水洪峰流量觀測(cè)資料分析計(jì)算，洪水的平均相對(duì)損失率為35.9%，平均每公里相對(duì)損失率為0.747%。洪水觀測(cè)資料及衰減分析過(guò)程見(jiàn)表2。

參考烏魯木齊河洪水沿程衰減規(guī)律，小東溝出山口至橋梁跨越斷面15.1 km，按每公里相對(duì)損失率0.747%計(jì)算，小東溝出山口至橋梁跨越斷面洪峰損失11.2%，衰減系數(shù)為0.888;張家溝出山口至橋梁跨越斷面13.4 km，按每公里相對(duì)損失率0.747%計(jì)算，張家溝出山口至橋梁跨越斷面洪峰損失10.0%，衰減系數(shù)為0.9。

按以上分析的衰減系數(shù)，分別計(jì)算小東溝、張家溝經(jīng)衰減后到達(dá)橋梁斷面的設(shè)計(jì)洪峰流量，再將損失后的小東溝、張家溝設(shè)計(jì)洪峰流量疊加，求得橋梁跨越斷面處設(shè)計(jì)洪峰流量，成果如表3所示。

3.4 設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算

針對(duì)該橋分別采用了全國(guó)水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式、新疆地區(qū)公路橋涵水文參數(shù)研究經(jīng)驗(yàn)公式以及面積比擬法三種不同的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算，三種方法計(jì)算成果如表4所示。

比對(duì)各方法計(jì)算成果，以本工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)P=1%計(jì)算成果分析，可知以新疆地區(qū)公路橋涵水文參數(shù)研究經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果最小，以面積比擬法計(jì)算結(jié)果最大，極差為平均值的10%左右，其中全國(guó)水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法與面積比擬法計(jì)算結(jié)果偏差4.35%，三種計(jì)算方法成果相差不大。最終偏安全采用面積比擬法計(jì)算結(jié)果，即該橋百年一遇設(shè)計(jì)洪水流量為255 m3/s。

4 結(jié)語(yǔ)

本橋所跨越河流上下游無(wú)水文站觀測(cè)資料，不能得到可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)采用水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式和面積比擬法推算出設(shè)計(jì)洪水流量，經(jīng)相互對(duì)比，可知推算結(jié)果比較接近。本文所采用的推算設(shè)計(jì)洪水流量的方法，可以為西北地區(qū)缺乏流量觀測(cè)資料的河流推算設(shè)計(jì)洪水流量提供參考。

一般來(lái)說(shuō)，利用間接的或經(jīng)驗(yàn)性的資料計(jì)算的洪水流量結(jié)果比較粗略，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，宜采用多種方法計(jì)算，經(jīng)分析比較，最終選擇一個(gè)比較合理的數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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