新建青新铁路若羌至库尔勒段小流域暴雨参数确定方法

张 宇

(中铁第一勘察设计院集团有限公司新疆铁道勘察设计院桥隧分处，新疆乌鲁木齐 830011)

新建青新铁路若羌至库尔勒段小流域暴雨参数确定方法

张 宇

(中铁第一勘察设计院集团有限公司新疆铁道勘察设计院桥隧分处，新疆乌鲁木齐 830011)

新建青新铁路若羌至库尔勒段沿线水文观测站点少，建站时间短，数据不完善，给水文计算带来一定困难。选取青新线若库段距线路约3 km的铁干里克气象站1957年—2010年日最大降雨量进行暴雨频率计算，结合西北地区水文统计经验数据，通过适线分析推求设计日暴雨量。本文确定的小流域暴雨参数依据的雨量序列资料截至2010年，较由80年代编写《壹桥8216》时所依据的资料增加近30年，计算的暴雨参数较由《壹桥8216》中的暴雨等值线图查得的数据大25%。

青新铁路 小流域 暴雨参数 水文频率计算

1 青新线若库段概况

青新铁路若羌至库尔勒段(以下简称青新线若库段)位于新疆维吾尔自治区东南部，地处新疆巴音郭楞蒙古族自治州境内。若库段南起塔里木盆地南缘若羌县，北至塔里木盆地北缘库尔勒市，主要经过塔里木盆地边缘及腹地。塔里木盆地位于天山、昆仑山和阿尔金山之间，为我国最大的内陆盆地，是大型封闭性山间盆地，印度洋和西太平洋暖湿气流难以进入，降水量小，夏季炎热少雨，冬季异常寒冷。

1.1 地区气候、降水

1)气候。若库段线路位于塔里木盆地东南部，属典型的大陆性干旱气候区，为暖温带干旱南疆区。冬夏长，春秋短促。冬季严寒漫长而少雪，春秋季干旱多风沙，夏季炎热，昼夜温差大，日照丰富，降水少而集中且不均匀，蒸发强烈，气候干旱多风沙。若库段区域内年平均气温为2.9℃ ～12.5℃，极端最高气温为32℃～44.3℃，极端最低气温 -23.1℃ ～-34.3℃。年平均降水量为21.3～54.1 mm，年最大降雨量为69.7～117.0 mm，年平均蒸发量2 033.3～2 900.0 mm，年最大蒸发量2 455.1～3 300.0 mm。年均风速为1.4～3.2 m/s，年平均大风日数(≥8级)9～43 d，最大定时风速13.3～26.0 m/s，最大瞬时风速 22.7～32.7 m/s，最大积雪厚度4～18 cm。

2)降水。线路沿线各段降水差异较大，总的分布特点是：北部多，南部少;山区多，平原少，盆地沙漠更少;山区迎风坡多，背风坡少;天山山区多，阿尔金山少。塔里木盆地降水量北部一般在50～70 mm，南部一般在15～30 mm，降水稀少，蒸发强烈，空气十分干燥。降水冬季多为降雪，夏季多为降雨，春秋季雨雪混合，因此，本地区河流均以雨雪混合型为主。

由于新疆地域广阔，降水现象复杂，水文观测站点分布稀少，建站时间短，且数据不完善，观测范围难以完全覆盖本地区，同时，观测值不一定代表暴雨中心降水量，特别是山区和盆地中央地带，观测值往往偏小，给水文分析带来一定困难。

1.2 暴雨区域划分

若库段由南向北横穿塔里木盆地，沿线根据其地形、地貌、水文、气候等因素暴雨区域又可划分为塔里木河冲积平原区、库鲁塔格山前洪积扇、库鲁塔格山山区。

1)塔里木河冲积平原区。主要位于本线的若羌至尉犁段，地形平坦，地势开阔略有起伏，地势南高北低，自然坡度2‰～5‰，海拔高程800～8 890 m。若库段在东、西部分别有库鲁塔克沙漠和塔克拉玛干沙漠，仅以沿塔里木河两岸狭窄绿地带隔开，带宽为1～3 km，局部伴生有沙丘、沙地，植被稀疏不均。

2)库鲁塔格山前洪积扇。主要位于本线的尉犁至库尔勒段，地形平坦，地势开阔略有起伏，地势北高南低，海拔950～1 010 m，相对高差5～20 m，自然坡度2‰～5‰，植被稀疏不均，沿线为戈壁砾漠地貌，局部地段分布有风积沙。

3)库鲁塔格山山区。主要位于本线的尉犁至库尔勒段，库鲁塔格山为天山的一个分支，位于焉耆盆地和孔雀河谷地之间，东西长超过400 km，南北宽约40～60 km，地势西高东低，包括两组山地，北部山地一般高1 500～2 500 m，最高峰西大山海拔2 782 m;南部山地为短小山脊，如兴地山，海拔高度在2 000 m以下。两组山地向东均为海拔1 100～1 300 m的低山丘陵所替代。整个山体饱经剥蚀，使得山势平缓，分水岭圆缓低矮，冲沟切割不深，基岩裸露，山体表面的基岩物理风化强烈，裸露基岩多为碎石状，局部地势较为陡峻。山间凹地、沟谷较发育，植被主要为梭梭，地表植被覆盖度一般为15%～30%。区内山峰无常年积雪，除兴地河外无常年流水。

2 青新线若库段小流域暴雨计算

2.1 暴雨参数选择与计算方法

2.1.1 雨量资料的收集与选样

对线路通过地段，收集该区域内的水文站、气象站的自记雨量和定时观测的雨量资料，充分了解该地区的暴雨特性、成因、暴雨路径等水文气象特征，以便对该地区暴雨参数的定性、定量分析提供依据。

将收集到的雨量资料经分析、筛选后，整理出统计样本，常用的选样方法有两种：

1)年最大值法。在每个站，每一年内根据所要求的不同时段，选取各时段的年最大值，组成一个n年系列统计样本。

2)超定量法。凡每站年内时段雨量超过一定量级时都选取。

2.1.2 统计参数分析

统计参数分析按年最大值法，挑选历年各时段(10～1 440 min)最大降雨量组成一个样本系列，用数理统计方法，并将频率曲线外延，推求各个时段指定频率的暴雨强度。

经验频率估算：将历年各时段雨量按大小顺序排列，按下列公式计算样本系列的经验频率

式中，P为等于或大于某一量级雨量的经验频率，m为等于或大于某一量级雨量的出现次数，n为系列长度。

样本系列的统计特征参数计算公式为

式中：Hp为系列中雨量均值;Hi为系列中一般年份的雨量值;n为实测系列总年份;σ为标准差;Cv为变异系数;Cs为偏差系数;Ki=Hi/Hp，为模比系数。

2.1.3 经验频率曲线绘制

在普通直角坐标方格纸上，点绘经验频率曲线呈S形，曲线上部急剧上升或下部急趋下降，将曲线外延寻找较小频率流量时，任意性较大，而曲线外延值正是设计需要的重要数据，为改善曲线外延值准确性，应使用海森机率格纸。在海森机率格纸上，以日最大降雨量为纵坐标，以经验频率为横坐标，点绘出各经验频率点据。频率曲线一般选用皮尔逊Ⅲ型曲线作为适线和外延曲线。

2.1.4 Cs和Cv关系确定

利用式(4)计算Cs时，必须有百年以上的样本，才能获得较满意的结果。实际工作中很难有百年以上的样本，故采用Cs为Cv某一倍的数值，再通过适线加以确定。在西北地区，通过经验及曲线适配，当Cs=3.5Cv时较为合理。

2.1.5 Cv取值

对于统计样本系列中特大值Cvn的判定标准，在西北地区判定方法为：Cvn≥0.35，Hmax/Hp＞［0.6+(2.9+0.05n)Cvn］，其中Hmax为系列中最大雨量，凡同时符合上述条件者，即按最大值处理。

2.2 青新线若库段暴雨计算

铁干里克气象站位于北纬40.63°，东经87.7°，距离线路右侧约3 km。通过对铁干里克气象站日最大降水量的统计和计算，所确定的百年一遇暴雨参数，对于本线若羌至尉犁段具有较强的代表性。

1)首先将收集到的雨量资料经分析、筛选后，整理出统计样本。

2)利用式(1)，计算出经验频率P。本文收集了铁干里克气象站自1957年—2010年的日最大降水量资料，根据此资料进行统计。分析结果见表1。

3)根据实际数据计算得：Hp=11.91 mm;σ=8.1 mm;Cv=0.676 9;Cs=3.5Cv。

4)适线分析结果见图1。经试算，采用Cv=0.68，Cs=3.5Cv较为合理。通过查《桥渡水文》手册，可确定P=1%时，相应的系数KP=3.58。

5)由适线确定单站的各时段统计参数后，指定时段的设计暴雨量 Ht，p=KPHp，则设计日暴雨量 H日，1%=42.6 mm。

6)利用日暴雨量求暴雨参数SP，采用的计算公式为 SP=KH日，1%× 24n2－1，其中，K 为系数，根据经验一般为1.10～1.25，n2为暴雨强度衰减指数。结合本线地形地貌，K取1.13，n2取0.8，则可得设计暴雨参数S1%=25.5 mm/h。

表1 铁干里克站历年日最大降水量统计分析

图1 铁干里克气象站历年日最大降水量频率曲线

3 结语

1)根据铁干里克气象站资料计算出的S1%=25.5 mm/h，由铁一院编写《壹桥8216》中的暴雨等值线图查得S1%=20 mm/h，比计算结果小，主要原因为铁一院编写的《壹桥8216》完成于80年代，收集资料序列较短，而本次收集的雨量资料至2010年，雨量序列资料增加近30年，所以本次分析结果更加准确。对于本地区而言，暴雨洪峰对线路危害较大，结合线路所处的地形、地貌，地区的暴雨特性、成因、暴雨路径等，最终确定S1%=25 mm/h。

2)本文虽然确定了流域面积＜100 km2的百年洪峰流量的暴雨参数计算方法，但是由于测量资料匮乏，没有＜1 h和1～6 h的降雨资料，无法验证衰减指数。下一步还需要进一步验证，以便使暴雨参数计算更加准确。

［1］铁道部第三勘测设计院.桥渡水文［M］.北京：中国铁道出版社，1993.

［2］中华人民共和国铁道部.铁路工程水文勘测设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，1999.

［3］铁道部第一设计院，中国科学院地理研究所，铁道部科学研究院西南所.小流域暴雨洪峰流量计算［M］.北京：中国科学出版社，1978.

［4］铁道部第一勘测设计院.壹桥8216［S］.兰州：铁道部第一勘测设计院，1984.

［5］陈勇.沈哈客运专线桥涵水文计算分析［J］.铁道建筑，2007(2)：7-9.

［6］金发良.通霍铁路既有线水害原因分析及对策研究［J］.铁道建筑，2011(3)：76-79.

U442.5+8

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2013.05.09

1003-1995(2013)05-0029-03

2012-10-11;

2013-03-05

张宇(1977— )，男，新疆乌鲁木齐人，工程师。

(责任审编 李付军)