洪积扇区域渠系工程设计洪水计算探究--以乌鲁木齐河分洪工程为例

洪积扇区域渠系工程设计洪水计算探究——以乌鲁木齐河分洪工程为例 洪积扇区域渠系工程设计洪水计算探究

——以乌鲁木齐河分洪工程为例

郭 华

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

摘要：通过对乌鲁木齐河分洪工程渠道沿线洪沟洪水的成因分析，对于山区河沟，采用水文比拟法计算出各河沟出山口处的洪水，对于出山口以下纯坡面区域，采用推理公式法计算其小流域暴雨洪水。根据沿线典型洪沟调查洪峰与推理公式法计算洪峰的拟合情况，率定出计算参数m为Ⅲ类，R＝1.1、r1＝0.76。对小东沟、乌什城沟出山口断面与渠线断面分别进行洪水调查，可知山区河沟出山口以后每公里河长洪峰衰减率为3.7%～3.9%。利用谷歌卫星地图结合现场调查，将分洪渠道沿线洪沟划分为各个相对独立的区域，对每一个区域分别计算出上游山区衰减至渠线断面的洪水和洪积扇区间洪水后，按照调查洪峰流量的比例将该区域洪峰总量分配到区域内与渠线相交的各个洪沟断面，基于工程安全性考虑，对于有汊流的洪沟，其最终设计洪水成果按加成20%进行处理。

关键词：设计洪水；洪积扇；渠系工程；洪沟；洪峰衰减

渠系工程穿越区域多属无资料地区［1］，目前，国内无资料地区设计洪水计算方法［2］主要有：根据流量资料推求设计洪水，如水文比拟法［3］、洪峰模数法［4］等；根据雨量资料推求设计洪水［5］如推理公式法［6］、产汇流单位线法［7］等，亦可采用地区经验公式［8］推求设计洪水；此外，结合一维水动力学与水文学方法，关仲［9］提出坡面汇流法计算小流域暴雨洪水。

根据通常的工程设计经验，认为山区是洪水的主要产流区，出山口以下洪水将沿程不断衰减，区间汇入洪水一般忽略不计。即在小流域设计洪水计算时，主要计算其出山口断面以上的洪水，扣减区间洪水损失后即可得到所求工程断面处的设计洪水。

然而，由于洪积扇与山区的下垫面条件截然不同［10］，相应的产汇流机制差别较大，笔者通过洪积扇区域实地踏勘及大量的洪水调查工作，认为对于出山口以下洪积扇区域渠系工程设计洪水计算，区间坡面洪水的影响不可忽略。即工程断面洪水应是山区洪水与区间坡面洪水两部分叠加的成果。本次以乌鲁木齐河分洪工程为例，详细介绍洪积扇区域渠系工程设计洪水计算过程，为类似的工程设计提供一定参考。

1 研究区概况

乌鲁木齐河分洪工程分洪渠自乌鲁木齐河右岸开始，渠道总长32 km，近2／3沿等高线平行布设，穿越位于乌鲁木齐市南部山区出山口以下的洪积扇区域，最终投入柴窝堡湖。受河流洪积扇与山前洪积扇的宏观地形影响，山区河沟水道与坡面洪沟散流、汇流、汊流、串流等现象普遍存在，山区河沟水道、坡面洪沟水道与分洪工程渠线呈现多点交汇的状态，分洪渠沿线山洪沟与渠线相交的沟口数量多达百余处，见图1所示。

图1 流域及工程示意图

2 计算路径

2.1 区域划分

根据1∶5万地形图及2016年高清谷歌卫星地图，同时结合现场实地勘察，乌鲁木齐河分洪工程沿线上游下垫面条件有显著差异，大体可分为两类，即山区与洪积扇区域。因此分洪工程沿线洪沟设计洪水计算，需根据不同下垫面条件进行相应的洪水计算。

2.2 计算方法

分洪渠道沿线洪沟的设计洪水是由两部分组成：一是山区河沟的洪水从出山口断面开始沿各自水道衰减至渠线断面，二是出山口至渠线区间洪积扇暴雨洪水经坡面汇流至渠线断面。因此需分别计算出山区河沟出山口处洪水和区间洪积扇所产生的暴雨洪水。

由于资料条件及公式适用范围的不同［11］，对于两部分设计洪水，需采用不同的计算方法。针对山区河沟出山口断面洪水，采用直接法即以板房沟水文站实测洪水资料为基础，根据水文比拟法推求设计洪水；针对出山口以下至渠线断面洪积扇区间的暴雨洪水，采用间接法即以英雄桥水文站实测降雨资料为基础，由推理公式［12］计算其设计洪水。

3 山区河沟出山口处设计洪水计算

由图1可知，小东沟、乌什城沟、庙儿沟、“四合一沟”（庙尔沟、羊圈沟、大东沟和半截沟合称）距离板房沟较近，源系同一山系，下垫面条件一致，可利用板房沟水文站的设计洪水成果通过水文比拟法（公式1），计算出小东沟、乌什城沟、“四合一沟”出山口处的设计洪水成果，见表1。

式中：Q洪沟为洪沟洪峰流量；Q水文站为板房沟水文站洪峰流量；F洪沟为洪沟流域面积；F水文站为板房沟水文站断面以上流域面积；n为指数，洪峰计算时取值为2／3。

表1 山区河沟出山口处设计洪峰成果表

不同频率P（%）设计下洪峰／（m3?s－1）山区部分流域面积／km20.5023.331020板房沟水文站396.0254.6134.196.435.516.8“四合一沟”138.9126.766.747.917.68.4小东沟 218.7171.490.364.923.911.3乌什城沟 230.3177.493.467.124.711.7

4 洪积扇区域坡面山洪沟设计洪水计算

对于出山口以下的洪积扇区域纯坡面洪沟，采用间接法即推理公式法进行设计洪水计算，水利部推荐的推理公式法基本公式如下：

计算中，分全面汇流和部分汇流两种情况考虑，即当tc＜τ时为部分汇流，当tc≥τ时为全面汇流，根据不同时段分别选取相应暴雨衰减指数n1、n2进行试算，推求设计洪峰流量。

产流历时tc由下式计算：

4.1 设计暴雨计算

以英雄桥水文站为设计暴雨参证站，依据英雄桥水文站1958年—2015年共58年最大1日降水量系列，选择P－Ⅲ型频率曲线，用矩法估算参数，目估适线，适线时着重考虑中高点据，英雄桥水文站年最大1日设计降雨量适线见图2。

图2 英雄桥水文站年最大1日降水量频率适线图

年最大24 h设计雨量H24P由年最大1日设计雨量H1d间接推出，公式如下：

各地区的K值变化不大，多在1.1～1.3之间，根据《新疆维吾尔自治区中小流域设计暴雨洪水图集》［13］，K取值为1.13。英雄桥站各频率最大24 h设计降雨量，成果见表2。

表2 英雄桥水文站年最大24 h 降雨量设计成果表

频率／%0.50123.3351020降雨量／mm77.371.365.060.356.549.842.7

4.2 计算参数初定

（1）流域特征参数F、L、J的确定。由于坡面山洪沟的河道极不稳定，自上游至下游不断有交叉、合并的情况，很难将各个洪沟独立分割出来。根据2016年高清谷歌卫星地图结合洪沟实地勘察情况，勾绘出坡面冲洪沟相对独立分区的分水岭（图1），利用ArcGIS软件量算各独立分区的流域面积F，并量算其沟长L和河道平均比降J。

（2）暴雨衰减系数n1、n2的确定。查阅《新疆维吾尔自治区中小流域设计暴雨洪水图集》［13］，n1＝0.7，n2＝0.8。

（3）设计雨力Sp由下式计算：

式中：t取24，n取n2的值。

（4）平均损失率μ值及汇流参数m。产流期的平均损失率μ值与相应的暴雨强度有如下关系：

式（7）中损失系数R和损失指数r1反映不同下垫面条件，可依据《水利水电工程设计洪水计算手册》［14］提供的附表查得。汇流参数m值反映水流特性，受流域特征（植被覆盖、河道糙率、河网分布等）、暴雨特性（暴雨时程分配和分布、暴雨中心走向等）以及方法本身的概化假定等影响。根据不同的流域下垫面类别，并用反映流域大小和地形的特征参数θ与各下垫面条件下m值建立关系，m值可依据θ值在《水利水电工程设计洪水计算手册》［14］中查得。

4.3 洪水调查成果

2016年8月，新疆水利水电勘测设计研究院组织专业设计人员对乌鲁木齐河分洪渠道沿线洪沟进行了全面细致的洪水调查工作。调查区段自分洪工程渠首开始至柴窝堡湖区投入点附近，全长32 km，调查洪沟数量达118条。

（1）区域洪沟特点。乌鲁木齐河分洪渠道沿线上游山洪沟与渠线的交汇，自西向东呈现疏密相间分布，越位于分洪渠线洪积扇下端，洪沟与渠线交汇的密度越大。经实地勘察发现，分洪渠道沿线山洪沟为季节性洪沟。沟宽且深的大洪沟，通常出现在南部山区河沟下游的散流区域，而与山区河流无水力联系的山前冲洪积扇的坡面区域的山洪沟，多数呈现沟型较小，沟槽多为宽浅式。受季节性洪水的滋润，与分洪工程渠线交汇的山洪沟沟槽两岸多生长有红柳、骆驼刺等灌木，沿沟长方向灌丛呈现出疏密不等状态分布；部分洪沟主槽不稳定，会因泥沙淤积或漂浮物堵塞沟槽等原因发生漫溢改道。当遇较大洪水时，洪积扇下游区域洪沟满槽漫溢现象普遍发生。沿线山洪沟与分洪渠线交汇断面一带，洪沟沟槽的河床组成多为沙卵石组成，部分区域为土质河床组成。

分洪渠道沿线山洪沟的洪痕类型，为淤积痕、漂浮痕、冲刷痕等三大类洪痕，沿分洪渠线由西向东，以淤积痕即泥痕为主的洪痕存贮特征趋于明显，这与分洪渠线所在的洪积扇的位置有关，总体而言，越到洪积扇末端，以淤积痕为表象的存贮泥痕越明显，本次调查所选洪痕均位于沟槽的中上部，洪痕以相对连续的条带状泥痕为主，漂浮痕、冲刷痕次之。经现场初步判断，近期洪痕的形成年份不超过5 a，远期洪痕的形成年份不超过10 a。

选择在分洪工程渠线与山洪沟交汇断面附近，灌丛分布较稀疏、洪水痕迹明显、河段相对顺直的单一断面做为洪水调查断面；以上下游各3倍～5倍断面宽为控制河长，对河道纵断面进行测量。经调查发现，大沟糙率多在0.03～0.05之间，小沟尤其是大东沟以东区域，由于沟槽相对宽且浅，介于主槽与滩地之间，因此糙率较大，多在0.045～0.07之间。

（2）典型纯坡面山洪沟调查成果。选择不受上游山区河沟影响，与其无水力联系即纯坡面洪沟区域，依据2016年高清谷歌卫星地图，结合1∶5万地形图，以分洪渠线调查断面为出口边界，利用洪积扇地表径流流经区域与未流经区域的色泽差异，勾绘出分洪渠线以上洪积扇坡面洪沟的流域面积。

在分洪渠道沿线洪水调查实测纵横断面的基础上，选择典型特征明显、断面形态好、河段相对顺直、断面糙率易于确定的洪沟为控制，依据各洪沟调查断面洪痕水位以下的断面宽深比、最大水深等关系，合理调整现场初定的断面糙率，采用比降法计算分洪渠道沿线各洪沟交汇处调查断面洪峰流量。建立单一出口断面或多个出口断面调查流量与相应流域面积关系，绘制典型纯坡面洪沟流域面积与调查洪峰流量关系图，见图3。

图3 坡面洪沟流域面积与调查洪峰流量关系图

根据图3反映，本次调查的沿线洪沟洪水，基本为同场次、降雨量相近的暴雨所致。分洪渠沿线坡面洪沟流域形心区域位于英雄桥水文站与乌鲁木齐气象台之间略偏向英雄桥水文站一侧，根据通常雨区的移动路径、走向，坡面洪沟区域与英雄桥水文站与乌鲁木齐气象台之间的位置关系，可利用两站日降水量的平均值来描述坡面洪沟区域降水量：

①从暴雨发生年份判断，根据收集到的最大一日降雨量资料，2014年6月19日英雄桥水文站最大一日降雨量为42 mm。分洪渠沿线小流域形心区域离英雄桥水文站相对较近。结合乌鲁木齐气象站同年最大一日降雨量为27.9 mm，可判断调查洪水为2014年暴雨洪水的概率较大。

②分析近十年降雨资料，2009年、2011年、2014年乌鲁木齐气象站、英雄桥水文站最大一日降雨量虽互有大小，但计算出两站2009年、2011年及2014年最大一日降雨量的平均值分别为36.75 mm、34.7 mm、34.95 mm，可知不管本次所调查洪水为这三年中的哪一场，其产生洪水的暴雨量级是一致的，均在34 mm～37 mm这个小范围内。综上所述，可认为坡面调查洪水对应的区域降雨量约为35 mm。

4.4 推理公式参数的率定

采用曼宁公式，根据实测横、纵断面，结合现场实际调查情况选取合适糙率，分别计算出纯坡面典型洪沟调查洪峰。同时，以35 mm为调查洪水对应的暴雨降雨量，用推理公式计算出相应洪沟计算洪峰，点绘洪峰调查值与计算值的相关关系图，见图4。

图4 分洪工程典型洪沟调查洪峰与计算洪

峰相关关系图

由图4知，当m取Ⅱ类时，根据推理公式得出的计算洪峰整体高于调查洪峰值，而当m取Ⅲ类时，根据推理公式得出的计算洪峰基本与调查洪峰值吻合。同时结合实际下垫面情况，可认为分洪工程渠道沿线坡面洪沟区域符合推理公式中m取Ⅲ类的情况，因此用推理公式计算出山口以下的纯坡面区域山洪沟，经率定后的计算参数m取Ⅲ类，μ相应取Ⅳ类地区，按前期土壤中等湿润情况选取R、r1，其中R＝1.1、r1＝0.76。

4.5 纯坡面小流域设计洪水计算

利用推理公式法及经过洪水调查率定的计算参数，计算分洪渠道沿线上游纯坡面小流域设计洪水。由于洪沟数量众多，仅以大区域的纯坡面洪沟为例，列出相应计算成果，见表3。

5 山区河沟洪水沿程衰减分析与处理

本次在小东沟和乌什城沟的上游出山口处、下游分洪渠线处分别做了洪水调查，相应测量了横断面及纵断面，基于以上工作可得到小东沟、乌什城沟上游、下游的调查洪峰值。小东沟、乌什城沟出山口至渠线区间的坡面洪水洪峰可由图3中相关方程计算得出。由于渠线处的调查洪峰为上游山区衰减至渠线的洪水与出山口以下区间坡面洪水之和，已知渠线处调查洪水及区间坡面洪水，可求出上游山区衰减至渠线的洪水，进而可计算出上游山区洪水洪峰单位河长衰减率，计算结果见表4。小东沟从出山口至渠线调查洪水单位河长衰减率为3.9%；乌什城沟从出山口至渠线调查洪水单位河长衰减率为3.7%。

表3 纯坡面小流域设计洪水计算成果表

区域流域面积／km2沟长／km比降不同设计频率P（%）下洪量／（m3?s－1）0.523.331020板房沟下游 67.78922.7600.0273116.3194.7886.7869.3057.87四合一沟下游25.98213.2600.026151.7442.1638.6030.8325.74小东沟下游 14.72912.9110.023026.0621.2319.4415.5312.96乌什城沟下游8.58011.8700.019713.9511.3610.418.316.94

表4 山区河沟洪水沿程衰减计算成果表

洪沟每公里河长损失率／%小东沟 41.742.516.215.39.43.9乌什城沟24.622.06.89.410.23.7出山口处调查流量／（m3?s－1）相应渠线处调查流量／（m3?s－1）区间坡面汇入量／（m3?s－1）山区洪水至渠线衰减量／（m3?s－1）出山口至渠线河长／km

参考《给水排水设计手册（城镇防洪）》［15］中的洪峰流量传播的折减系数β，结合其概化公式β＝1.0407e－0.051L（L为河长），可计算出小东沟从出山口至渠线调查洪水单位河长衰减率为3.8%；乌什城沟从出山口至渠线调查洪水单位河长衰减率为3.7%。可知调查洪水损失率与用概化公式计算出的损失率相近，可认为《给水排水设计手册（城镇防洪）》［15］中概化公式适用于乌鲁木齐河分洪工程区域，用概化公式计算山区河沟洪水衰减至分洪渠道断面处设计成果见表5。

表5 山区河沟洪水衰减至分洪渠线设计洪峰成果表

山区部分平均衰减河长／km衰减系数β不同频率P（%）下衰减至分洪渠线处的设计洪峰／（m3?s－1）0.523.331020板房沟 11.10.546184.0109.986.246.231.7四合一沟5.20.800101.353.438.414.16.7小东沟 9.40.644110.358.141.815.47.3乌什城沟10.20.617109.557.641.415.37.2

6 分洪渠道沿线洪沟计算成果

由于出山口以下洪沟众多，各洪沟间不断有交汇、分叉，很难将每个山洪沟一一独立的划分出来。在1∶5万地形图和2016年高清谷歌卫星地图的基础上，结合现场调查，将分洪渠道沿线洪沟划分为各个相对独立的区域，每一个独立区域分别计算出上游山区洪水和洪积扇区间洪水。按照调查洪水的比例将该区域洪水总量分配到区域内对应的各个洪沟断面，由于分流、串流的不确定性，从保障工程安全性的角度，对于最终有分流的洪沟，其设计洪水按加大20%进行处理。以板房沟区域为例，乌鲁木齐河分洪渠道沿线典型区域洪沟计算成果见表6。

表6 分洪渠道沿线设计洪峰成果表

洪沟编号分流比不同频率P（%）设计洪峰／（m3?s－1）0.523.331020 6＃0.33119.281.368.745.935.5 7＃0.2590.861.952.335.027.1 8＃0.1554.937.431.721.116.4 9＃0.1452.035.530.020.015.5 10＃0.1037.825.821.814.611.3 11＃0.025.53.73.22.11.6总和1.00360.3245.6207.6138.7107.4

7 结 论

本文以乌鲁木齐河分洪工程为例，针对洪积扇区域渠系工程设计洪水计算，提出一种较系统的计算思路，即渠系工程断面设计洪水应是上游山区衰减洪水与区间洪积扇汇流洪水叠加的成果。无论是推理公式计算纯坡面小流域暴雨洪水，还是探究上游山区河沟洪水出山口以后的衰减规律，都应进行实地详勘尤其是细致的洪水调查工作，在率定参数和衰减率的基础上得出的洪水计算成果更可靠，对工程建设有利。

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The Design Flood Calculation of Channel Project in Alluvial Fan Area

GUO Hua

（Xinjiang Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute，Urumqi，Xinjiang830000，China）

Abstract：The Urumqi River flood diversion project began on the right bank of the river and crossed the alluvial downstream in the south mountainous area and finally reached Chaiwopu Lake.Total length of the flood diversion channel is 32 kilometers.Through the analysis of the flood source along the channel，it was considered that the design flood of channel project was composed by flood in the upper reaches and the alluvial fan confluence.The hydrological analogy method was used to calculate the design flood at the mountain－pass.Besides the rational formula was adopted to calculate the rainstorm flood in small watersheds between the mountain－pass and the channel project.According to the fitting contrast between the survey flood and the calculated flood，the parameters were determined as follows：mwas classⅢ，andR＝1.1，andr1＝0.76.Based on the flood investigation at the mountain－pass and the channel section in Xiaodonggou and Wushichenggou respectively，the flood attenuation rate per kilometer along the river course was 3.7%to 3.9%.The ditches along the channel could be divided into separate regions using Google satellite map，and the flood in the mountainous area and the rainstorm flood in the alluvial fan could be calculated for each region.According to the proportion of flood suvey，the total flood in every defined contolling area can be allocated to each flood ditch.Considering the shunt effect，the design flood was increased 20%for the project safety.

Keywords：design flood；alluvial fan；channel project；small watershed；ditch；flood attenuation

中图分类号：TV122

文献标识码：：A

文章编号：：1672—1144（2017）01—0225—06

DOI：10.3969／j.issn.1672－1144.2017.01.043

收稿日期：2016－10－14

修稿日期：：2016－11－12

作者简介：郭 华（1987—），女，新疆乌鲁木齐人，硕士，工程师，主要从事工程水文及水资源规划设计工作。E－mail：290384166＠qq.com