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出版:《陕西水利》杂志社
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塔什店镇北山4号沟洪水计算
来源:   发布时间:2017-11-30   浏览量:423  
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塔什店镇北山4号沟洪水计算
王振龙
(新疆巴音郭楞水文勘测局,新疆 库尔勒 841000)
 
摘  要 北山4号山洪沟是塔什店镇较大的山洪沟之一,洪灾频繁。为减轻洪水带来的灾害,切实改善流域内群众的生产生活条件,结合北山4号沟基本情况及存在问题,对北山4号沟洪水的成因及特征进行探讨,采用洪峰流量模比系数地区综合频率曲线法、洪峰模数法和设计暴雨推理公式法对4号沟不同段的设计洪水进行推算和对比分析,计算出北山4号沟4处工程点的设计洪峰流量,为堤防工程建设提供科学参考。
关键词 塔什店镇;山洪沟;洪水;水文分析
中图分类号: TV122.3                 文献标识码:B
1概况
塔什店镇北山4号沟,发源于南天山支脉的霍拉山南坡。4号沟流域上部分布着东、西两条较大的山洪沟,期间还有数条小洪沟,洪水经防洪坝疏导汇集于巴州砖厂以东的洼地。长11.8km,流域面积28.99km2。北山4号沟是一条以降雨水为补给来源的季节性山洪沟,平时沟内无地表径流。塔什店镇北山4号沟流域内,在河流下游沙漠戈壁滩处有部分防洪工程,包括:2001~2003年,在4号沟西支沟口修建高2m的拦洪堤300m,泄洪渠长2200,深度在2m~3m;2008年,在4号沟东支洪沟口和沟口以上300m处分别修建高5m的拦洪堤50m,泄洪渠长800m,深度在4m~2m;2007年,在218国道上新修建三座过水涵洞,在过水涵洞上游两侧新修建导洪堤,西侧导洪堤高2.5m,长350m,东侧导洪堤高2.5m,长250m。过水涵洞下游新修建了一条长100m、宽14m、深度在2.5 m的导洪渠;1990年之前在老314国道过水涵洞下游修建有一条长3500m、宽14m、深度在2.5 m的泄洪渠。
2存在问题
(1)受当时条件的限制,工程标准不高,配套不全,经过近二十年的运行,受洪水、泥沙、冻胀及人为因素的破坏,再加上维修投入不足,老化和损坏已十分严重,致使防洪工程不能更好的发挥作用。
(2)4号山洪沟没有形成有效的防洪体系,河道无永久性防洪措施,只在部分河段零星建有防洪工程,防洪设施较为简易,防洪等级为不足10年一遇,经多年洪水冲刷、侵蚀,已难于应对大洪水的威胁,河流仍处于“大洪大灾、小洪小灾”的局面。
为提高北山4号沟防洪能力,库尔勒市计划在右岸(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、扩建堤防工程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。为了保证工程顺利实施,需对4处堤防段洪水进行分析计算。
3洪水分析
3.1洪水成因及其特性
塔什店镇北山4号沟山体较低,没有永久性冰川和积雪。流域区地下水位低,不能补给洪沟。当降雨强度小时,降水全部渗入地下,因此,4号沟大多时段干枯无水,其洪水类型属于典型的暴雨型洪水,暴涨暴落。
3.2节点设计洪水计算
    (1)洪峰流量模比系数地区综合频率曲线法
由于塔什店镇北山4号沟属无水文资料河流,本次设计洪峰流量的计算选取处于出山口的大山口、黄水沟、克尔古提、迪那河水文站作为模比系数地区综合频率曲线法的参证站。根据2003年发生洪水的重现期(23年),选用4号沟东、西支出沟口和洼地前端泄洪渠上2003年洪水调查值(分别为10.1m3/s 、14.8m3/s和18.0m3/s),2003年洪水的洪峰模比系数Kp值(3.32)是通过重现期和洪峰流量模比系数综合频率曲线上反查出来,来推求4号沟东、西支出沟口和洼地前端泄洪渠上设计洪峰流量,见表1。
表1   根据2003年洪水重现期计算各洪水调查位置处的设计洪峰流量
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
根据重现期计算的4号沟东支出沟口设计洪峰流量(m3/s) 17.0 13.7 11.5 9.69 6.82 4.26 1.68
根据重现期计算的4号沟西支出沟口设计洪峰流量(m3/s) 24.8 20.1 16.8 14.2 9.99 6.24 2.46
根据重现期计算的4号沟洼地前端泄洪渠设计洪峰流量(m3/s) 30.2 24.5 20.5 17.3 12.2 7.6 3.0
备注:2003年发生的洪水频率为4.35%,Kp值为3.32,4号沟东、西支出沟口和洼地前端泄洪渠洪峰流量分别为10.1m3/s、 14.8m3/s和18.0m3/s.
2)洪峰模数法
选取处于同气候区内的或产洪方式相近内的迪那河水文站作为参证站,采用计算出的设计洪峰流量,根据下式求得塔什店区北山4号沟2013年各洪水调查位置处不同频率设计洪峰流量。调查位置处洪峰模数法设计洪峰流量成果见表2。
计算公式:
Q= F/ F×Q    
式中:Q—设计流域和参证站的设计洪峰流量(m3/s);F—设计流域和参证站的集水面积(km2
表2   根据洪峰模数法计算各洪水调查位置处的设计洪峰流量成果表  单位:m3/s
设计频率(P) p=1.0 p=2.0 p=3.3 p=5.0 p=10.0 p=20.0 p=50.0
迪那河设计洪峰流量 1315 1089 928 798 588 392 174
洪峰模数法计算4号沟东支出沟口设计洪峰流量 7.74 6.66 5.68 4.88 3.60 2.40 1.06
洪峰模数法计算4号沟西支出沟口设计洪峰流量 11.3 9.37 7.99 6.87 5.06 3.37 1.50
洪峰模数法计算4号沟洼地前端泄洪渠设计洪峰流量 23.0 19.0 16.2 14.0 10.3 6.85 3.04
备注:迪那河水文站以上集水面积1615km2,4号沟东支出沟口以上集水面积9.88km2,4号沟东支出沟口以上集水面积13.9km2,洼地前端泄洪渠以上集水面积达28.24km2
3由设计暴雨推理公式法推求设计洪峰流量
塔什店区北山4号沟无降水观测资料,不能满足设计暴雨推求设计洪水的要求。因此,本次选择离塔什店区北山4号沟工程位置最近(相距3.5km),有长系列降水量资料的他什店(五)水文站为设计暴雨推求设计洪峰流量的参证站。
塔什店区北山4号沟集水面积较小,为全面汇流,应用《水利水电工程设计洪水计算规范》推理公式中短历时(t<=24小时)设计暴雨来推求塔什店区北山4号沟设计洪峰流量,公式为:
Qm,p=0.278×(Sp/tn-μ)×F                       (1)
τ=0.278×L/(m×J1/3×Q1/4mp)                    (2)
式中:Qm,p—设计洪峰流量;F—集水面积;L—河长;J—坡降;μ—产流历时内的平均损失强度,根据当地实际情况,μ=0.68×α0.78=1.8;n——暴雨衰减指数,取0.80;Sp——频率为P的雨力;τ——汇流历时;m—流域汇流速度系数,取1.3。
经量图查算,塔什店区北山4号沟东支出沟口集水面积9.88km2, 出山口以上河流长度6.8km,出山口以上纵坡降27.2‰。4号沟西支出沟口集水面积13.9km2, 出山口以上河流长度6.25km,出山口以上纵坡降26.5‰。洼地前端泄洪渠集水面积28.24km2, 出山口以上河流长度9.5km,出山口以上纵坡降25.8‰。设计频率的雨力 Sp= H24hp%×24n-1。根据以上确定的参数,假定一组t值,代入公式(1)可得出相应的一组Qm,p值;再将Qm,p值代入公式(2)中得出一组τ值,直到t=τ为止。此时Qm,p值即为其它频率的洪峰流量,见表3。
       表3  4号沟各洪水调查位置处设计洪峰流量成果表      单位:m3/s
P(%) 1.0 2.0 3.3 5.0 10.0 20.0 50.0
4号沟东支出沟口 16.8 13.1 10.9 9.06 6.45 3.96 1.24
4号沟西支出沟口 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号沟各节点处设计洪峰流量成果合理性分析
塔什店区北山4号沟流域洪水资料贫乏,这给设计洪水计算带来了一定的困难,本次采用三种方法对4号沟各洪水调查位置处设计洪水进行分析计算,用以进行对比分析和相互验证。
洪峰流量模比系数地区综合频率曲线法,选用同一水文分区内几个与之相邻流域的洪峰流量模比系数,作地区综合频率分析,从而降低计算成果的抽样误差,也可消除因单站特大值影响而带来的偶然误差和分区内各河流水文特性的差别。将相邻流域的洪峰流量参数综合在一起作地区综合分析,可综合出地区参数的规律性,以解决无资料流域的设计洪水。本次采用2002年11月与2013年3月两次历史洪水调查访问期的洪水记录和根据周边水文站实测降水量资料来综合确定了重现期,来计算设计洪峰流量,准确率较高可采用,见表1。
洪峰模数法推求的设计洪峰流量,比洪峰流量模比系数地区综合频率曲线法推求的设计洪峰流量偏小。主要原因是由于迪那河水文站集水面积与塔什店区北山4号沟集水面积差异较大所致,所以其结果可作对比分析及参考用,见表2。
设计暴雨推理公式法推求设计洪峰流量,由于塔什店区北山4号沟流域上没有降水量资料,只能用他什店水文站的降水资料,而他什店水文站与塔什店区北山4号沟山区受高程等因素的影响,降水还是有一定的差距,计算成果存在一定的误差,而且公式中涉及到多个未确定的参数,任意性较大,用此法推求成果仅供参考,见表3。
3.3工程河段各计算节点设计洪峰流量
经实地调查:塔什店区北山4号沟防洪工程桩号K0+000节点处,仅有4号沟西支出沟口的洪水到达此处,因此桩号K0+000节点处的设计洪峰流量就直接采用西支出沟口的设计洪峰流量。
桩号K1+000节点和桩号K2+700节点处,除4号沟东、西支出沟口的洪水外,还有东、西支洪沟流域区间以外区域的少量坡集洪水。虽然两处节点分别位于4号沟东、西支出沟口以下1.15km和2.75km处,东、西支出沟口的洪水沿导洪渠向下游流动时存在洪水沿程衰减,但沿程也存在少量坡集洪水逐渐汇入的情况,在这种既存在洪水沿程衰减,又存在少量坡集洪水逐渐汇入的相互作用情况,经综合考虑,桩号K1+000节点和桩号K2+700节点处的设计洪峰流量,按4号沟东、西支出沟口后的洪水在节点处出现遭遇性的洪水情况处理,既K1+000节点和桩号K2+700节点处的设计洪峰流量,是将4号沟东支出沟口和西支出沟口的设计洪峰流量按同频率叠加。桩号K4+150节点就位于洼地前端泄洪渠处,上游各支沟的洪水在现218公路前汇集,同时桩号K4+150节点位于4号沟东、西支出沟口以下4.0km处,东、西支出沟口的洪水沿导洪渠向下游流动时存在洪水沿程衰减,因此,桩号K4+150节点处的设计洪峰流量就直接采用洼地前端泄洪渠的设计洪峰流量。经推算得各计算节点的设计洪峰流量,见表4。
表4  各计算节点设计洪峰流量成果表     单位: m3/s
设计频率(%) 1 2 3.3 5 10 20 50
4号沟东支出沟口 17.0 13.7 11.5 9.69 6.82 4.26 1.68
4号沟西支出沟口 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 设计洪峰流量 24.8 20.1 16.8 14.2 9.99 6.24 2.46
K1+000 设计洪峰流量 41.8 33.9 28.3 23.9 16.8 10.5 4.1
K2+700 设计洪峰流量 41.8 33.9 28.3 23.9 16.8 10.5 4.1
K4+150 设计洪峰流量 30.2 24.5 20.5 17.3 12.2 7.6 3.0
4结语
由于缺乏长系列的径流和洪水资料,造成塔什店镇北山4号沟4处防洪工程处洪水计算困难,通过分析讨论,文章采用三种方法对节点洪水进行分析计算,从而确定各支沟和工程节点处不同频率下的设计洪峰流量,为工程建设提供参考。
 

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