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主辦:陜西水環境工程勘測設計研究院
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出版:《陜西水利》雜志社
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塔什店鎮北山4號溝洪水計算
來源:   發布時間:2017-11-30   瀏覽量:656  
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塔什店鎮北山4號溝洪水計算
王振龍
(新疆巴音郭楞水文勘測局,新疆 庫爾勒 841000)
 
摘  要 北山4號山洪溝是塔什店鎮較大的山洪溝之一,洪災頻繁。為減輕洪水帶來的災害,切實改善流域內群眾的生產生活條件,結合北山4號溝基本情況及存在問題,對北山4號溝洪水的成因及特征進行探討,采用洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線法、洪峰模數法和設計暴雨推理公式法對4號溝不同段的設計洪水進行推算和對比分析,計算出北山4號溝4處工程點的設計洪峰流量,為堤防工程建設提供科學參考。
關鍵詞 塔什店鎮;山洪溝;洪水;水文分析
中圖分類號: TV122.3                 文獻標識碼:B
1概況
塔什店鎮北山4號溝,發源于南天山支脈的霍拉山南坡。4號溝流域上部分布著東、西兩條較大的山洪溝,期間還有數條小洪溝,洪水經防洪壩疏導匯集于巴州磚廠以東的洼地。長11.8km,流域面積28.99km2。北山4號溝是一條以降雨水為補給來源的季節性山洪溝,平時溝內無地表徑流。塔什店鎮北山4號溝流域內,在河流下游沙漠戈壁灘處有部分防洪工程,包括:2001~2003年,在4號溝西支溝口修建高2m的攔洪堤300m,泄洪渠長2200,深度在2m~3m;2008年,在4號溝東支洪溝口和溝口以上300m處分別修建高5m的攔洪堤50m,泄洪渠長800m,深度在4m~2m;2007年,在218國道上新修建三座過水涵洞,在過水涵洞上游兩側新修建導洪堤,西側導洪堤高2.5m,長350m,東側導洪堤高2.5m,長250m。過水涵洞下游新修建了一條長100m、寬14m、深度在2.5 m的導洪渠;1990年之前在老314國道過水涵洞下游修建有一條長3500m、寬14m、深度在2.5 m的泄洪渠。
2存在問題
(1)受當時條件的限制,工程標準不高,配套不全,經過近二十年的運行,受洪水、泥沙、凍脹及人為因素的破壞,再加上維修投入不足,老化和損壞已十分嚴重,致使防洪工程不能更好的發揮作用。
(2)4號山洪溝沒有形成有效的防洪體系,河道無永久性防洪措施,只在部分河段零星建有防洪工程,防洪設施較為簡易,防洪等級為不足10年一遇,經多年洪水沖刷、侵蝕,已難于應對大洪水的威脅,河流仍處于“大洪大災、小洪小災”的局面。
為提高北山4號溝防洪能力,庫爾勒市計劃在右岸(K0+000~K0+27.3)、(K0+339~K1+376.4)段新建堤防工程1.065km,右岸(K0+27.3~K0+339)、(K1+376.4~K2+392)段加固、擴建堤防工程1.3273km,右岸(K2+392~K2+700)、(K3+200~K3+614.6)段新建堤防0.723km,(K4+150~K4+483.3)段疏浚河道0.333km。為了保證工程順利實施,需對4處堤防段洪水進行分析計算。
3洪水分析
3.1洪水成因及其特性
塔什店鎮北山4號溝山體較低,沒有永久性冰川和積雪。流域區地下水位低,不能補給洪溝。當降雨強度小時,降水全部滲入地下,因此,4號溝大多時段干枯無水,其洪水類型屬于典型的暴雨型洪水,暴漲暴落。
3.2節點設計洪水計算
    (1)洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線法
由于塔什店鎮北山4號溝屬無水文資料河流,本次設計洪峰流量的計算選取處于出山口的大山口、黃水溝、克爾古提、迪那河水文站作為模比系數地區綜合頻率曲線法的參證站。根據2003年發生洪水的重現期(23年),選用4號溝東、西支出溝口和洼地前端泄洪渠上2003年洪水調查值(分別為10.1m3/s 、14.8m3/s和18.0m3/s),2003年洪水的洪峰模比系數Kp值(3.32)是通過重現期和洪峰流量模比系數綜合頻率曲線上反查出來,來推求4號溝東、西支出溝口和洼地前端泄洪渠上設計洪峰流量,見表1。
表1   根據2003年洪水重現期計算各洪水調查位置處的設計洪峰流量
P% 1.0 2.0 3.3 5.0 10.0 20.0 50.0
Kp 5.573 4.518 3.779 3.184 2.242 1.399 0.552
根據重現期計算的4號溝東支出溝口設計洪峰流量(m3/s) 17.0 13.7 11.5 9.69 6.82 4.26 1.68
根據重現期計算的4號溝西支出溝口設計洪峰流量(m3/s) 24.8 20.1 16.8 14.2 9.99 6.24 2.46
根據重現期計算的4號溝洼地前端泄洪渠設計洪峰流量(m3/s) 30.2 24.5 20.5 17.3 12.2 7.6 3.0
備注:2003年發生的洪水頻率為4.35%,Kp值為3.32,4號溝東、西支出溝口和洼地前端泄洪渠洪峰流量分別為10.1m3/s、 14.8m3/s和18.0m3/s.
2)洪峰模數法
選取處于同氣候區內的或產洪方式相近內的迪那河水文站作為參證站,采用計算出的設計洪峰流量,根據下式求得塔什店區北山4號溝2013年各洪水調查位置處不同頻率設計洪峰流量。調查位置處洪峰模數法設計洪峰流量成果見表2。
計算公式:
Q= F/ F×Q    
式中:Q—設計流域和參證站的設計洪峰流量(m3/s);F—設計流域和參證站的集水面積(km2
表2   根據洪峰模數法計算各洪水調查位置處的設計洪峰流量成果表  單位:m3/s
設計頻率(P) p=1.0 p=2.0 p=3.3 p=5.0 p=10.0 p=20.0 p=50.0
迪那河設計洪峰流量 1315 1089 928 798 588 392 174
洪峰模數法計算4號溝東支出溝口設計洪峰流量 7.74 6.66 5.68 4.88 3.60 2.40 1.06
洪峰模數法計算4號溝西支出溝口設計洪峰流量 11.3 9.37 7.99 6.87 5.06 3.37 1.50
洪峰模數法計算4號溝洼地前端泄洪渠設計洪峰流量 23.0 19.0 16.2 14.0 10.3 6.85 3.04
備注:迪那河水文站以上集水面積1615km2,4號溝東支出溝口以上集水面積9.88km2,4號溝東支出溝口以上集水面積13.9km2,洼地前端泄洪渠以上集水面積達28.24km2
3由設計暴雨推理公式法推求設計洪峰流量
塔什店區北山4號溝無降水觀測資料,不能滿足設計暴雨推求設計洪水的要求。因此,本次選擇離塔什店區北山4號溝工程位置最近(相距3.5km),有長系列降水量資料的他什店(五)水文站為設計暴雨推求設計洪峰流量的參證站。
塔什店區北山4號溝集水面積較小,為全面匯流,應用《水利水電工程設計洪水計算規范》推理公式中短歷時(t<=24小時)設計暴雨來推求塔什店區北山4號溝設計洪峰流量,公式為:
Qm,p=0.278×(Sp/tn-μ)×F                       (1)
τ=0.278×L/(m×J1/3×Q1/4mp)                    (2)
式中:Qm,p—設計洪峰流量;F—集水面積;L—河長;J—坡降;μ—產流歷時內的平均損失強度,根據當地實際情況,μ=0.68×α0.78=1.8;n——暴雨衰減指數,取0.80;Sp——頻率為P的雨力;τ——匯流歷時;m—流域匯流速度系數,取1.3。
經量圖查算,塔什店區北山4號溝東支出溝口集水面積9.88km2, 出山口以上河流長度6.8km,出山口以上縱坡降27.2‰。4號溝西支出溝口集水面積13.9km2, 出山口以上河流長度6.25km,出山口以上縱坡降26.5‰。洼地前端泄洪渠集水面積28.24km2, 出山口以上河流長度9.5km,出山口以上縱坡降25.8‰。設計頻率的雨力 Sp= H24hp%×24n-1。根據以上確定的參數,假定一組t值,代入公式(1)可得出相應的一組Qm,p值;再將Qm,p值代入公式(2)中得出一組τ值,直到t=τ為止。此時Qm,p值即為其它頻率的洪峰流量,見表3。
       表3  4號溝各洪水調查位置處設計洪峰流量成果表      單位:m3/s
P(%) 1.0 2.0 3.3 5.0 10.0 20.0 50.0
4號溝東支出溝口 16.8 13.1 10.9 9.06 6.45 3.96 1.24
4號溝西支出溝口 24.0 19.6 16.1 13.7 9.14 5.36 2.10
洼地前端泄洪渠 29.8 23.6 18.9 16.4 11.6 6.98 2.44
44號溝各節點處設計洪峰流量成果合理性分析
塔什店區北山4號溝流域洪水資料貧乏,這給設計洪水計算帶來了一定的困難,本次采用三種方法對4號溝各洪水調查位置處設計洪水進行分析計算,用以進行對比分析和相互驗證。
洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線法,選用同一水文分區內幾個與之相鄰流域的洪峰流量模比系數,作地區綜合頻率分析,從而降低計算成果的抽樣誤差,也可消除因單站特大值影響而帶來的偶然誤差和分區內各河流水文特性的差別。將相鄰流域的洪峰流量參數綜合在一起作地區綜合分析,可綜合出地區參數的規律性,以解決無資料流域的設計洪水。本次采用2002年11月與2013年3月兩次歷史洪水調查訪問期的洪水記錄和根據周邊水文站實測降水量資料來綜合確定了重現期,來計算設計洪峰流量,準確率較高可采用,見表1。
洪峰模數法推求的設計洪峰流量,比洪峰流量模比系數地區綜合頻率曲線法推求的設計洪峰流量偏小。主要原因是由于迪那河水文站集水面積與塔什店區北山4號溝集水面積差異較大所致,所以其結果可作對比分析及參考用,見表2。
設計暴雨推理公式法推求設計洪峰流量,由于塔什店區北山4號溝流域上沒有降水量資料,只能用他什店水文站的降水資料,而他什店水文站與塔什店區北山4號溝山區受高程等因素的影響,降水還是有一定的差距,計算成果存在一定的誤差,而且公式中涉及到多個未確定的參數,任意性較大,用此法推求成果僅供參考,見表3。
3.3工程河段各計算節點設計洪峰流量
經實地調查:塔什店區北山4號溝防洪工程樁號K0+000節點處,僅有4號溝西支出溝口的洪水到達此處,因此樁號K0+000節點處的設計洪峰流量就直接采用西支出溝口的設計洪峰流量。
樁號K1+000節點和樁號K2+700節點處,除4號溝東、西支出溝口的洪水外,還有東、西支洪溝流域區間以外區域的少量坡集洪水。雖然兩處節點分別位于4號溝東、西支出溝口以下1.15km和2.75km處,東、西支出溝口的洪水沿導洪渠向下游流動時存在洪水沿程衰減,但沿程也存在少量坡集洪水逐漸匯入的情況,在這種既存在洪水沿程衰減,又存在少量坡集洪水逐漸匯入的相互作用情況,經綜合考慮,樁號K1+000節點和樁號K2+700節點處的設計洪峰流量,按4號溝東、西支出溝口后的洪水在節點處出現遭遇性的洪水情況處理,既K1+000節點和樁號K2+700節點處的設計洪峰流量,是將4號溝東支出溝口和西支出溝口的設計洪峰流量按同頻率疊加。樁號K4+150節點就位于洼地前端泄洪渠處,上游各支溝的洪水在現218公路前匯集,同時樁號K4+150節點位于4號溝東、西支出溝口以下4.0km處,東、西支出溝口的洪水沿導洪渠向下游流動時存在洪水沿程衰減,因此,樁號K4+150節點處的設計洪峰流量就直接采用洼地前端泄洪渠的設計洪峰流量。經推算得各計算節點的設計洪峰流量,見表4。
表4  各計算節點設計洪峰流量成果表     單位: m3/s
設計頻率(%) 1 2 3.3 5 10 20 50
4號溝東支出溝口 17.0 13.7 11.5 9.69 6.82 4.26 1.68
4號溝西支出溝口 24.8 20.1 16.8 14.2 9.99 6.24 2.46
洼地前端泄洪渠 30.2 24.5 20.5 17.3 12.2 7.6 3.0
K0+000 設計洪峰流量 24.8 20.1 16.8 14.2 9.99 6.24 2.46
K1+000 設計洪峰流量 41.8 33.9 28.3 23.9 16.8 10.5 4.1
K2+700 設計洪峰流量 41.8 33.9 28.3 23.9 16.8 10.5 4.1
K4+150 設計洪峰流量 30.2 24.5 20.5 17.3 12.2 7.6 3.0
4結語
由于缺乏長系列的徑流和洪水資料,造成塔什店鎮北山4號溝4處防洪工程處洪水計算困難,通過分析討論,文章采用三種方法對節點洪水進行分析計算,從而確定各支溝和工程節點處不同頻率下的設計洪峰流量,為工程建設提供參考。
 

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