奎屯-独山子工业园南区设计洪水参数确定

肖 兵

(新疆水利水电项目管理有限公司，乌鲁木齐 830000)

1 概 述

城市洪水会造成严重的经济损失，甚至是人员伤亡事件，对城镇发展产生不利影响[1-3]。因此，提前做好防洪规划，充分考虑洪水参数，保证防洪工程安全、有效是十分必要的。

奎屯市地处天山北麓，区域内主要河流为精河、四棵树河、奎屯河、八音沟河、玛纳斯河、塔西河。已建防洪工程有：①独山子东防洪堤，全长9.2 km；②奎屯市东郊排洪渠，全长7.55 km；③奎屯市东一支防洪堤，全长3.1 km；④奎屯市东一支防洪渠，全长4.5 km。

2 防洪工程分区

以拟建防洪坝为界，将奎屯-独山子工业园南区的防洪区域分为上下两部分。

1) 上游为拟建防洪坝以南至独山子东防洪堤，间隔约4 km，独山子东防洪堤于1982年由独山子修建，长约9.2 km，将独山子南部山区洪水集中导入东郊排洪沟，拟建防洪堤防治两防洪堤之间区域洪水，防洪区域面积为27.7 km2。

2) 下游为拟建防洪坝以北至312国道。防洪区域面积为20 km2，规划开挖3条排洪沟。利用312国道、乌奎高速及北疆铁路的过水设施，将洪水疏导穿过312国道、乌奎高速及北疆铁路。拟建排洪沟1将洪水排至东排洪渠后最终汇入泉沟水库；拟建排洪沟2与拟建排洪沟3洪水排至东郊排洪沟。

3 参证站数据分析

流域范围内参证站概况见表1。

表1 参证站资料概况一览表

3.1 参证站均值稳定性分析

以奎屯市气象站为参证站，用最大一日降水量资料对奎屯市洪水进行代表性分析。绘制奎屯市气象站最大一日降水量模比系数累积均值曲线，见图1。

由图1可知，最大一日降水量累积均值曲线变幅随时间的增长而减小，模比系数累积均值曲线逐渐趋近于1，奎屯市气象站50年最大一日降水系列均值具有较好的收敛性。

图1 奎屯市气象站最大一日降水量模比系数累积均值曲线图

3.2 参证站差积曲线分析

从图2中可知，降水量的年际变化过程可分为5个时段，即1958-1962年为多降水段、1963-1967年为少降水段、1968-1972年为多降水段，之后降水量多少交替出现，2001-2007年为多降水段。

图2 奎屯市气象站最大一日降水量模比系数差积曲线图

3.3 不同长度降水系列统计参数误差分析

选取奎屯市气象站最大一日降水量系列不同长度，每5年一个时段，进行统计参数相对误差分析。见表2。

表2 不同长度最大一日降水量统计参数误差计算表

由表2可见，随着系列长度的增加，系列统计参数稳定，50年的最大一日降水资料具有较好的代表性。

4 设计洪水

按照奎屯-独山子工业园区防洪规划要求，本次防洪任务主要是奎屯-独山子工业园区以南至独山子东防洪堤区间的暴雨洪水。根据设计需要，把奎屯-独山子工业园南区分为两个区进行设计洪水的计算，即拟建石化工业园防洪堤以上区域及以下区域。

4.1 防洪坝以上设计洪水

威胁奎屯市的洪水主要是暴雨型洪水，洪水主要沿冲积扇上分布的大小冲沟下泄，项目区内冲沟遍布，数量较多，各冲沟平时为干沟，只有发生暴雨时才有洪水，规划区无任何洪水资料，因此项目区洪水计算方法只能按无资料地区洪水计算方法进行。调查洪沟较多，间隔距离较近，故选取5处控制节点(即0+500、2+000、4+000、6+000、8+000桩号)计算洪峰流量，每节点控制区域内洪峰流量之和为节点处洪峰流量。

4.1.1 地区洪峰流量模比系数综合频率曲线法

源于奎屯市南山前数条冲洪沟的天山北坡同时也孕育了数条较大河流，本次采用参证站实测和调查资料样本，绘制综合频率曲线，见图3。

图3 洪峰流量模比系数地区综合频率曲线图

设计断面洪峰流量值计算公式如下：

Qp=Kp×Qd/Kd

(1)

式中：Qp、Kp分别为设计频率洪峰流量(m3/s)、设计洪峰流量模比系数；Kd、Qd分别为调查历史洪水模比系数、调查历史洪水洪峰流量值(m3/s)。

历史洪水重现期定51年，Kp值见表3；设计洪水成果见表4。

表3 设计洪峰流量计算参数及Kp-P表

表4 防洪坝以上防洪节点断面设计洪峰流量成果表(综合频率曲线法) /m3·s-1

4.1.2 经验公式法

由于节点断面洪水主要为独山子防洪坝以下的坡面汇水，根据实地踏勘，洪水痕迹不大，没有较大的冲沟。使用无资料地区小流域设计洪水，即：

Q均=CFn

(2)

式中：Q均为最大洪峰流量均值，m3/s；F为流域面积，km2；C为汇流系数，取0.30；n为面积修正指数，取0.60。

式(2)中各参数根据沟槽自然地理特征及工具书中推荐值选用。由式(2)计算出各节点断面平均洪峰流量，再移用地区综合洪峰流量模比系数Kp值，计算得到各防洪节点断面不同频率设计洪峰流量，成果见表5。

表5 防洪坝以上防洪节点断面设计洪峰流量成果表(经验公式法) /m3·s-1

4.2 防洪坝以下园区设计洪水

城区排涝系统是防止雨水径流危害城区安全的主要设施，防止城市范围内雨水或超标准暴雨形成洪水，对城市造成危害。

4.2.1 园区设计暴雨

采用矩法对系列统计参数进行估算，经P-Ⅲ频率曲线适线(图4)，得到奎屯市气象站设计最大一日降水量，成果见表6。

图4 奎屯市气象站最大一日降水量频率曲线图

表6 奎屯市气象站设计最大一日降水量成果表

统计奎屯市气象站1958-2007、1989-2007年最大一日降水量，以及独山子气象站1989-2007年最大一日降水量，用奎屯市气象站长系列降水资料对独山子气象站短系列降水资料进行长短系列订正，计算公式为：

P独长=P独短/P奎短×P奎长

(3)

式中：P长为长系列最大一日降水量；P短为短系列最大一日降水量。

经计算，得到独山子气象站多年平均最大一日平均降水量为22.4 mm，移用奎屯市气象站降水量频率计算统计参数Cv=0.60、Cs=6Cv，计算得到独山子气象站不同频率设计最大一日降水量，其成果见表7。

表7 独山子气象站最大一日降水量频率计算成果表

4.2.2 园区设计暴雨雨强计算

利用《新疆维吾尔自治区可能最大暴雨图集》，查得独山子概化雨型的逐时雨量分配过程，设计暴雨雨强，其成果见表8、表9。

表8 独山子气象站最大24 h降水量频率计算成果表

表9 独山子气象站设计暴雨雨强计算成果表

4.2.3 园区设计洪水计算

市区设计洪水计算公式为：

Qmp=0.278·Cm·Ip·A

式中：Qmp为设计洪峰流量，m3/s；Cm为综合径流系数；Ip为设计暴雨雨强，mm/h；A为排水面积，km2。

按新建奎屯-独山子工业园南区规划中不透水面积小于排水面积的30%，洪峰流量计算取Cm=0.20，园区内拟建3条排洪渠，从西向东将园区依次分为4个小分区。据分区排水面积及设计暴雨雨强资料，计算得到各分区设计洪峰流量，其成果见表10。

表10 奎屯-独山子工业园区设计洪水计算成果表 /m3·s-1

4.3 设计洪水成果合理性分析与检查

4.3.1 设计洪水成果合理性分析

根据实地调查，威胁工业园南区的洪水是由于强降雨而形成的暴雨洪水。

结合以上分析成果可以看出，综合频率曲线法计算值大于经验公式法结果。从安全方面考虑，推荐采用综合频率曲线法的计算成果。

4.3.2 市区设计洪水成果合理性分析

城区设计成果所采用的基础暴雨资料，系国家基本气象站的实测长系列资料，代表性较好，所用方法也通过国内外大中城市的验证，计算设计成果较可靠，可供工程规划时参考使用。

5 结论与建议

5.1 结 论

奎屯-独山子工业园南区为暴雨多发区，易形成暴雨洪水，冲坏公路、民房及农田，灾害比较突出。防洪规划工程实施后，可彻底根治水害，改善环境，繁荣园区经济。

对洪水传播以及城区内雨洪的研究，由于资料的局限性，在城市防洪实施中，对非工程措施应足够重视，以保证防洪效益发挥。

5.2 建 议

对园区危害最为严重的是暴雨洪水，工业园区以南的防洪坝是治理此类型洪水的主要防洪设施，要加强对防洪坝及防洪设施的保护力度，应经常性地对防洪坝进行护理，严禁在防洪沟堆放垃圾，时常清理泥沙，疏通洪沟，确保防洪堤的防洪能力。