乌伦布拉克河偏远山区小河流水文分析

严志刚

(五家渠农六师勘测设计研究有限责任公司，新疆 五家渠 831300)

洪水灾害是重大自然灾害之一。目前，我国每年由于洪水灾害产生的经济损失十分惨重。为避免河道发生洪水灾害，需要通过修建防洪堤，保证有足够的排洪断面，保证河道行洪通道畅通安全，避免出现影响河道宣泄狭窄的河段，减轻洪水灾害。为保护沿河道路、牧草地及公共设施。本文以乌伦布拉克河流域为例，采用不同方法对河段洪水流量进行计算分析。

1 工程概况

乌伦布拉克河属于山溪性河沟，发源于北塔山西部山区，北塔山属阿尔泰山脉支系，是中国与蒙古国之间的界山，海拔高程介于1530 m～3287 m之间。乌伦布拉克河与库甫沟同源，分布于分水岭南北两侧。河沟出山口以上河长约10 km。乌伦布拉克河出山口以上河长11.7 km，集水面积25.3 km2。整个流域东南高西北低，向西南倾斜，河长约23 km。乌伦布拉克河河谷及阴坡植被覆盖度较高，有麻黄、爬地松，真旱生禾草棱狐茅、针茅。海拔2300 m以上阴坡分布有西伯利亚松。该河水源主要为山泉水和大气降水，平时主要有山泉水和经乌伦布拉克一道坝由暗渠引入的卡哈提河水，此区域地势起伏不大，相对高差约50 m～150 m。乌伦布拉克河河谷由东南流向西北出山口，出山口下游13 km，流经丘陵区、戈壁滩，最终消失于戈壁滩。河流总体走向为东南至西北走向。乌伦布拉克河流域四季多风，降水稀少，属典型的大陆性戈壁荒漠气候。

2 流域水文基本资料

乌伦布拉克河上无水文观测站，北塔山大石头水文站设立于2014年，其水文资料年限短，不适于作为洪水计算依据，由于小青河流域与乌伦布拉克河流域相距140 km,两河流域发源于同一山系，洪水分析采用邻近流域小清河水文站作为参证站。限于篇幅，参证站的可行性及代表性分析等不再赘述。水文计算选用的水文资料年限为1962年～2010年。

根据小青河水文站观测资料分析，山顶积雪消融和夏季暴雨是引起乌伦布拉克河流域发生洪水的主要原因，具有明显的季节性特点，主要发生在春季和夏季。春季气温升高，山顶积雪消融，进而发生洪水；夏季雨水增多，暴雨则是形成洪水的主要原因。

小青河水文站具有51年连续完整的实测洪水资料，系列较长。针对小青河站的设计洪峰流量采用频率分析法进行计算。根据小青河站的洪水资料，采用年最大值选样，选取年最大洪峰流量系列，首先运用矩法对最大洪峰流量系列的统计参数进行估算，然后以此为基础，应用适线法对P-Ⅲ型频率曲线进行选配，以此推算小青河站设计洪峰流量。小青河设计洪水计算成果见图1。

图1 小青河站洪峰流量频率曲线图

3 研究河段设计洪水计算

乌伦布拉克河流域无任何洪水资料，因此，乌伦布拉克河研究河段设计洪水分析计算，分别采用目前常用的面积比拟法及推理公式法对乌伦布拉克河流域研究河段的最大洪峰流量进行分析，以此来指导防洪设计。一般情况下，推理公式法是小流域由暴雨资料推求设计洪水的方法之一，通常在流域集水面积应小于300 km2的情况下适用。而当无资料或缺少资料的时候，面积比拟法则是解决小流域设计洪水流量计算时最实用的方法之一，且计算过程简单。该计算方法中流域的相似性、洪水成因及特牲、流域面积等对计算精度的控制都具有十分重要的作用。

根据山洪沟道的分布位置，将研究河段流量变化分为两段进行设计洪水的分析计算，第一段：起点桩号0+000～桩号2+500段，经1∶5万地形图上量算得该河段最下游一个断面以上集水面积为13.1 km2，主河道河长为2.5 km，河道比降为5.4%。第二段：桩号2+500～出山口（三道坝引水渠首），经1∶5万地形图上量算得该河段最下游一个断面以上集水面积为25.3 km2，主河道河长为11.06 km，河道比降为4.2%。

3.1 面积比拟法洪水计算

根据小青河水文站设计洪峰流量，采用面积比拟法，估算出研究河段设计洪峰流量。设计洪峰流量计算公式如下：式中：Qmp为入库设计洪峰流量，m3/s；Qmc参证站设计洪峰流量，m3/s；Fp为设计站集水面积，km2；Fc为参证站集水面积，km2。

根据式（1）计算研究河段设计洪峰流量，结果见表1。

表1 乌伦布拉克河研究河段设计洪峰流量（面积比拟法）

3.2 推理公式法

推理公式法通常又叫合理公式法，是采用水文站提供的暴雨数据来计算小流域洪水量的基本手段之一。设计暴雨计算采用北塔山气象站1986年～2012年最大1日降雨量观测统计资料。北塔山气象站位于乌伦布拉克河流域内，该站成立于1957年10月，海拔高程1653.7 m，为我国西北地区基本站，北塔山气象站设计暴雨资料见表2。

设计最大24小时点降雨量采用下式计算：

设计最大24小时面降雨量的计算公式为：

式中：h24为最大24小时点降雨量，mm；P1r为最大1日降雨量，mm；K1为最大1日降雨量与最大24小时降雨量折算系数，取K1=1.13；H24为最大24小时面降雨量，mm；K2为最大24小时点、面降雨量折算系数，取K2=1.01（由于北塔山气象站所在高程为1653.7 m，项目区高程在1757 m～2258 m范围，上游产流区高程均大于1653.7 m，所以点面雨量换算系数应该大于1，故取为1.01）。

表2 北塔山气象站设计暴雨资料

依据国家行业标准《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-2006）及《水利水电工程设计洪水计算手册》等参考技术数据，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，推算治理河段设计洪峰流量。计算公式如下：

式中：Qm为设计洪峰流量（m3/s）；ψ为洪峰径流系数；Sp为设计频率的雨力（mm/h）；τ为汇流时间（h）；tc为产流时间（h）；m 为汇流参数(可根据的计算值查小流域下垫面分类m值表，在北方干旱、半干旱地区的m取值)；F为流域面积（km2）；L为河长（km）；J为河道比降（‰）；θ为流域特征参数；μ为产流参数（入渗率，mm/h）；n为暴雨衰减指数。

计算过程中，流域的沟长L、平均纵坡J及流域面积F均从1∶5万比例尺的流域地形图上直接量算。土壤下渗强度μ值由山洪沟洪水调查中的土壤实地情况，采用以下公式计算：

式中：R为损失系数；r1为损失指数，R和r1反映不同下垫面条件，不同土类平均损失的计算参数。损失参数可根据山洪沟当地土壤的实际具体情况，然后查阅《小流域暴雨洪峰流量计算》表分析得出。根据研究河段雨洪及其河道性质、不同区域土壤植被的特征等资料，结合该河段地处深山，其植被稀疏，而且流域内在夏季时有小雨，所以地面前期土壤干旱，取R=1.08，r1=0.75。

根据北塔山气象站多年实测年最大1日降水量频率计算设计成果，按下式计算设计雨力：

式中：t取24小时；H24P为最大24小时降水量。

由于暴雨历时多小于1小时，因当地各站小于1小时的时段暴雨资料很少，n值是随频率变化的，但考虑到实测暴雨的分布情况及工程安全，故选用《新疆可能最大暴雨图集》分析成果，取 n=0.62。

汇流参数m是反映流域下垫面特性的综合性参数，在无资料地区采用地区综合法。计算采用设计洪水规范所列的m值计算方法，首先根据式（7）计算出洪沟的θ值，然后查小流域下垫面条件分类m值表，θ=34.52，m=1.62。

产流历时TC的计算公式为：

式中符号意义同上。

由式（2）～式（10）计算得出的研究河段设计洪峰流量计算成果见表3。

表3 乌伦布拉克河研究河段设计洪峰流量（推理公式法）

4 设计洪水结果对比分析

在无资料的情况下，分别采用面积比拟法、推理公式法两种方法推算乌伦布拉克河流域研究河段设计洪水，分别推算出的两种设计洪峰流量计算成果如表1和表3所示。经比较和分析可以看出，在小频率条件下（P=2%～10%），采用理论公式方法推算出的洪峰流量值比采用面积比拟法时计算得出的值要大；而在大频率条件下（P＞10%）, 以小青河水文站作为参证站，采用面积比拟法所计算得到的结果则大于采用推理公式得出的结果。

乌伦布拉克河流域研究河段断面以上集水面积在25.3 km2，满足计算使用要求，但乌伦布拉克河流域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。而对于面积比拟法而言，计算涉及参证流域（小青河流域）与设计流域同属阿尔泰山系，且流域下垫面条件基本相似。由上分析可知，两种计算条件均满足其使用要求，计算成果均有一定的可信度。因此，鉴于以上两种方法计算所得10年一遇的洪水成果差异不大，为了安全考虑，故研究河段的设计洪峰流量采用推理公式法的计算结果作为设计依据。

5 结语

面积比拟法与推理公式法均为无可用材料条件下流域河段设计洪峰流量的计算手段。乌伦布拉克河位于北塔山西部，流域上尚无可用的水文观测站作为洪水计算分析的数据资料来源。因此，利用临近流域小清河水文站作为参证站计算设计洪峰流量，然后以此为基础采用面积比拟法估算研究河段设计洪峰流量。此外，还利用北塔山气象站降雨量数据为基础，采用推理公式法计算了研究河段设计洪峰流量。对两种方法估算的洪峰流量进行比较发现，在小频率条件下（P=2%～10%），采用理论公式方法推算出的洪峰流量值大，而在大频率条件下（P＞10%）,采用面积比拟法所计算得到的结果则较大。鉴于安全考虑，研究河段的设计洪峰流量采用推理公式法的计算结果作为设计依据。