基于無資料地區(qū)推求小流域設計洪水的實例剖析

李青山，王 好

( 吉林省水文水資源局通化分局，吉林 通化134000)

0 前 言

吉林省集安市的各江河多屬山溪性河流，小江小河非常多，而在一些小流域上并沒有設立水文觀測站，而隨著人民生活水平的提高，水利工程及環(huán)境工程也逐漸向鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展，而這些地方缺少水文資料，采用經驗公式是一種方法，但由于是無實測的水文資料，所以應多種方法進行校正，以下是我們在實際工作中，采用洪水調查及分析借用鄰近有水文資料的流域進行洪水計算的一種方法的探討。

吉林省集安市擬在清河鎮(zhèn)通吉公路葦沙河清河大橋橋下296 m處修建攔河壩，同時加高堤壩，需推求壩址處的100 a一遇( P=1%) 和50 a一遇( P=2%) 的洪峰流量。

1 基本情況

1.1 流域概況

葦沙河為渾江左岸一較大支流，葦沙河發(fā)源于集安市熱鬧鎮(zhèn)上湖村東南，在集安市頭道鎮(zhèn)匯入渾江。河道全長49.3 km，流域面積683 km2。其中清河鎮(zhèn)壩址以上流域面積為283 km2，河道平均坡降5‰。而與之相近另一左岸渾江之流的大羅圈河上設有鐵廠水文站，兩條河流的平均距離約為40 km，如圖1 所示。

圖1 葦沙河水系示意圖

1.2 氣象、水文概況

1.2.1 氣候

渾江流域地處中緯度歐亞大陸東緣，在全國氣候區(qū)劃中屬于北溫帶大陸季風氣候區(qū)，本區(qū)受西伯利亞及太平洋季風影響，在冷暖氣團交替控制下，四季變化明顯。春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，日溫差大，冬季嚴寒而漫長。

1.2.2 降水

根據多年降水觀測資料統(tǒng)計，多年平均降水量為848 mm，降水年內分配不均，降水主要集中在6—9月，6—9月降水量占全年降水量的72.2%，多年平均蒸發(fā)量為1 182.2 mm。

1.2.3 水文測站及資料分布情況

渾江干支流上的水文站為國家標準測站，鐵廠水文站1972年1月設立。鐵廠水文站控制面積685 km2。在葦沙河上1958年建有頭道崴子水文站，集水面積647 km2。

表1 渾江流域各站觀測系列表

1.3 河道邊界條件

葦沙河在清河鎮(zhèn)河段內坡降較大，河流平均坡降5‰。兩邊是土堤護壩，河流溝槽及河床內大多是卵石、沙、塊石。在攔河壩壩址處是一沙石廠，河道內有很多沙石高高堆起，沙坑無數。

2 設計洪水推求

2.1 水文成果

2.1.1 暴雨洪水特性

渾江流域地處長白山主脈和龍崗山脈之間，山脈走向為東北至西南，西南來的暖濕空氣沿喇叭口的山谷向東北面上。特殊的地形條件有利于輻合上升運動的加強和水汽的集中。在臺風和氣旋的影響下，不但暴雨發(fā)生頻繁，而且也是暴雨高值區(qū)。大暴雨多發(fā)生在7月中旬到8月中旬，一次暴雨過程基本是3 d。3 d暴雨集中在24 h，24 h降雨量約占3 d降雨量的80%。暴雨籠罩面積大，如1888年、1923年、1960年和1995年暴雨基本籠罩了全流域，這4 a大暴雨，造成了本流域的4 場大洪水。

2.1.2 歷史洪水

渾江在歷史上曾發(fā)生多次較大洪水，自1888年至今的百余年中，有記載的大洪水有9 次. 其中解放前有1888年、1923年、1927年、1935年共4 次;解放后有1951年、1953年、1957年、1960年及1995年共5 次，統(tǒng)計歷史洪水成果。見表2。

2.2 實測水文資料成果

2.2.1 實測大斷面位置根據洪痕點及壩址位置在清河大橋下布設了上、中、下3個斷面，分別在清河大橋下140 m、296 m、391 m，見表3。

2.2.2 實測壩址處大斷面圖

實測壩址處大斷面圖見圖2 ～圖4。

表2 各水文站歷史洪水洪峰流量成果表 m3/s

表3 葦沙河清河大橋下壩址實測橫斷面位置統(tǒng)計表

圖2 清河鎮(zhèn)上斷面大斷面圖

圖3 清河鎮(zhèn)中斷面大斷面圖

圖4 清河鎮(zhèn)下斷面大斷面圖

2.2.3 河道參數的分析與選用

2.2.3.1 河床糙率n 值的分析河床糙率n 值的分析見圖5 ～圖7。

圖5 1977年鐵廠水文站水位與糙率關系圖

圖6 1995年鐵廠水文站水位與糙率關系圖

圖7 1960年頭道崴子站水位與糙率關系圖

從以上分析圖看，水位－糙率關系比較散亂，取用糙率在高水比較集中的地方，同時參照葦沙河頭道葳子水文站及清河大橋下河段的實際情況采用糙率0.030。

2.2.3.2 水面比降I 值的分析( 萬分率)

水面比降I 值的分析見圖8、圖9。

圖8 1977年鐵廠水文站水位與水面比降關系圖

圖9 1995年鐵廠水文站水位與水面比降關系圖

通過計算實測的清河大橋下的上、中斷面平均坡降為5‰，通過對鐵廠1977、1995年及頭道崴子水文站高水的比降分析，高水時采用水面比降5‰。

2.3 設計洪水

鐵廠水文站自1972—2009年共有實測洪水資料38 a。根據歷史洪水及實測洪水計算出鐵廠水文站的設計洪水，由于葦沙河沒有長系列的水文觀測資料，而且又與鐵廠水文站的自然地理條件、集水面積、歷史調查洪水較接近，所以根據歷史洪水調查及參照鐵廠水文站水文資料推求壩址處設計洪水。

在清河大橋下左岸壩腰處通過走訪水利部門及當地居民測得1995年兩處洪峰流量的洪痕點，高程為340.92 m，壩址斷面處為341.40 m，據此采用曼寧公式推求出清河大橋處1995年的洪峰流量為826 m3/s。

曼寧公式為:

式中:Q 為不洪峰流量，m3/s; F 為過水斷面面積，m2; R 為水力半徑，m;I 為水面比降;n 為河床糙率。

而1995年洪水在鐵廠站相當于20 a一遇洪水，而由于兩條河流位置近，氣候及地理條件接近，可以認為洪水頻率是一樣的，而鐵廠水文站1995年洪峰流量為852 m3/s，據此采有倍比方法，倍比系數0.97，推求出葦沙河清河大橋下壩址斷面的洪峰流量見表4。

表4 各計算斷面設計洪水計算成果表

為了驗證推求成果，采用經驗公式計算設計洪水:

式中:Q 為多年平均洪峰流量; C 為洪峰流量參數; n 為面積指數;F 為集水面積，以平方公里計。

根據吉林省水文圖集查得當地的水文參數:洪峰流量參數C=6.0，面積指數n=0.67，計算多年平均洪峰流量:

最大流量離差系數Cv=0.95，Cs=2.5Cv，查模比系數KP。

50 a一遇洪峰流量為1 020 m3/s。100 a一遇洪峰流量為1 210 m3/s。兩種方法計算的流量基本吻合。

3 結 語

通過以上實例的計算，可以看出采用氣候、下墊面、集水面積相同，地理位置相近的有水文資料的河流推求無資料地區(qū)的河流設計洪水的方法是可行的，而且精度是可靠的。

［1］吉林省水文總站，吉林省水利設計院. 吉林省水文圖集［M］.長春:吉林省水文站，吉林省水利設計院，1974.

［2］劉純義，張耀先. 水力學［M］. 北京: 中國水利水電出版社，2005.