小沙河治理工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算探討

黃 河

(鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002)

隨著建庫蓄洪、筑堤疏河、開溝引渠等大量工程措施不斷醞釀規(guī)劃和相繼付諸實(shí)施，“十二五”規(guī)劃大綱明確提出要“加強(qiáng)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在繼續(xù)推進(jìn)大江大河治理基礎(chǔ)上，積極開展重要支流、湖泊和中小河流治理，增強(qiáng)城鄉(xiāng)供水和防洪能力”[1]，中小流域正成為當(dāng)前農(nóng)田水利基礎(chǔ)建設(shè)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)地區(qū)。設(shè)計(jì)洪水是水利工程設(shè)計(jì)中關(guān)鍵和先行的環(huán)節(jié)，其量值影響甚至決定了工程的規(guī)劃和規(guī)模，而中小流域地區(qū)暴雨流量等水文資料相對匱乏，工程分布廣、規(guī)模普遍較小且主要受洪峰流量控制的特點(diǎn)給設(shè)計(jì)洪水計(jì)算帶來了困難，目前應(yīng)用較廣泛的是陳家琦于上世紀(jì)中葉提出的水利科學(xué)院推理公式[2，3]。文獻(xiàn)本文結(jié)合小沙河治理工程實(shí)例，對推理公式在豫南山丘區(qū)中小流域設(shè)計(jì)洪水推求中的形式、參數(shù)率定和算法等特點(diǎn)進(jìn)行了闡述和探討，并對公式推求成果合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 流域及工程概況

小沙河系淮河二級支流，發(fā)源于河南省南部信陽市商城縣蘇仙石鎮(zhèn)，流經(jīng)商城縣、固始縣5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在固始縣汪棚鄉(xiāng)注入史河支流石槽河，史河與灌河在固始縣城北蔣集匯合成淮河一級支流史灌河。小沙河流域地處大別山北麓，是由山區(qū)、丘陵至平原的過渡地帶，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的季風(fēng)溫潤區(qū)。流域總面積371.5km2，干流河道長61.65km。其中，小沙河中上游40km干流流經(jīng)商城縣境內(nèi)低山丘陵區(qū)，平均比降為1/200;下游地形開闊，地勢平緩，河道平均比降為1/2000。

小沙河治理工程位于商城縣境內(nèi)小沙河中上游山丘區(qū)。小沙河現(xiàn)狀上游河道窄淺坡陡且無控制性工程，中下游河道彎曲淤積、泄洪不暢，堤防和排澇設(shè)施缺乏或損毀嚴(yán)重，河道防洪、排澇標(biāo)準(zhǔn)偏低，一旦上游發(fā)生暴雨，極易形成洪澇災(zāi)害。此次治理按照山丘區(qū)河道生態(tài)治理的原則對小沙河豐集鎮(zhèn)與曹家崗間河道進(jìn)行開挖疏浚、堤防整修、險(xiǎn)工處理和防汛道路修建。工程除澇標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇，防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級，次要和臨時(shí)建筑物級別為5級，河道堤防工程級別為5級。如目前該項(xiàng)目已列入《全國中小河流治理和中小水庫除險(xiǎn)加固專項(xiàng)規(guī)劃》中，計(jì)劃于2013年實(shí)施。

工程控制斷面流域特征如表1所示。

表1 工程控制斷面流域特征Tab.1 drainage compositions of engineering control sections

分別參照《84圖集》、《05圖集》相關(guān)圖表，查取流域重心處年最大10min，1h，6h，24h的點(diǎn)雨量均值 Ht和變差系數(shù)Cv，選用偏態(tài)系數(shù)Cs=3.5Cv，計(jì)算各歷時(shí)設(shè)計(jì)頻率(5%，10%，20%)點(diǎn)雨量Ht，p;查“河南省短歷時(shí)暴雨時(shí)面深(t-F-a)關(guān)系圖”得點(diǎn)面折減系數(shù)a，則各歷時(shí)設(shè)計(jì)頻率面雨量 H＇t，p=aHt，p。根據(jù)當(dāng)?shù)厮挠?jì)算手冊規(guī)定將24小時(shí)暴雨進(jìn)行時(shí)程分配。參照不同圖集查取的暴雨特征參數(shù)見表2。

2 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

2.1 水文氣象資料

小沙河流域?qū)僦脖惠^好的淮南各支流淺山區(qū)，根據(jù)“河南省山丘區(qū)水文分區(qū)圖”，確定該區(qū)域所在水文分區(qū)為I區(qū)。受季風(fēng)及地形條件的影響，流域內(nèi)降水時(shí)空分布不均，每年6～9月降雨量占全年的54～58%，且常以暴雨形式出現(xiàn)。產(chǎn)生暴雨的天氣系統(tǒng)主要是冷鋒、氣旋波和低渦。雨季一般在7月上旬到9月上旬，大暴雨主要發(fā)生在7、8月，以7月下旬到8月上旬最多，暴雨持續(xù)時(shí)間多在1～3天。暴雨造成小沙河流域洪汛頻繁，據(jù)調(diào)查，建國至1988年近40年間，有22年發(fā)生過大的洪災(zāi)，上世紀(jì)九十年代至今也發(fā)生了4次較大洪災(zāi)，其中2002年、2004年小沙河上游山區(qū)局部暴雨，河水暴漲致使豐集鎮(zhèn)近岸低洼處被淹，并引起下游河段普遍漫溢。

本流域及鄰近地區(qū)缺乏實(shí)測暴雨和洪水流量資料。根據(jù)豫水辦[2007]7號“河南省水利廳關(guān)于試行《河南省暴雨參數(shù)圖集》(2005年版)的通知”規(guī)定，利用1984年河南省水利設(shè)計(jì)院編印的《河南省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》[4](以下簡稱《84圖集》)和河南省水文水資源局2005年12月編制的《河南省暴雨參數(shù)圖集》[5](以下簡稱《05圖集》)查算成果相分析比較來確定設(shè)計(jì)暴雨及洪水。

2.2 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

表2 暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)匯總表Tab.2 summary sheet of storm statistical parameters

3 產(chǎn)流計(jì)算

分別利用參照《84圖集》、《05圖集》所算24小時(shí)設(shè)計(jì)雨量，查“河南省山區(qū)丘陵地區(qū)降雨徑流關(guān)系”中I線得24小時(shí)設(shè)計(jì)凈雨深R24。該區(qū)域降雨最大初損Imax為50mm，設(shè)計(jì)前期影響雨量Pa規(guī)定如下:50年一遇以上暴雨P(guān)a=Imax，10～20年一遇設(shè)計(jì)暴雨P(guān)a=2/3Imax。根據(jù)當(dāng)?shù)厮挠?jì)算手冊，對24小時(shí)凈雨概化時(shí)程進(jìn)行分配，如圖1、圖2所示。

4 匯流計(jì)算

4.1 推理公式法基本公式

工程控制流域面積為128.3km2，小于200km2，可采用推理公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，其基本公式[4]為:

式中:Qm，p為設(shè)計(jì)洪峰流量(m3/s);ψp為洪峰徑流系數(shù)，全面匯流時(shí)采用式(3)計(jì)算;τ為洪峰匯流歷時(shí)(h);F為控制流域面積(km2);L為主河道長度(km);J為主河道平均坡降;Sp為設(shè)計(jì)最大1小時(shí)雨量平均強(qiáng)度，即雨力(mm/h);ntp為設(shè)計(jì)暴雨遞減指數(shù)，根據(jù)歷時(shí)長短進(jìn)行劃分:τ小于1h取n1p，τ=1～6h取n2p，τ=6～24h取n3p;m為匯流參數(shù);μ為平均入滲率(mm/h)。

4.2 推理公式法參數(shù)率定及求解

工程治理河道長度較短且區(qū)間無較大支流匯入，工程采用治理終點(diǎn)曹家崗處設(shè)計(jì)洪水成果。曹家崗斷面流域特征見表1;當(dāng)?shù)厮挠?jì)算手冊規(guī)定水文分區(qū)Ⅰ區(qū)μ值按2～3mm/h控制，結(jié)合工程區(qū)水文地質(zhì)特征，取μ=3mm/h;匯流參數(shù)m參照當(dāng)?shù)厮挠?jì)算手冊中Ⅰ區(qū)θ～m相關(guān)線查取，流域綜合特征值θ按式(4)計(jì)算;此次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中不涉及到暴雨遞減指數(shù)n1p，n2p和n3p按式(5)和(6)計(jì)算，暴雨遞減指數(shù)計(jì)算成果見表3。

式中:H＇t，p為設(shè)計(jì)頻率年最大歷時(shí) t面雨量(mm)。

表3 暴雨遞減指數(shù)計(jì)算成果匯總表Tab.3 summary sheet of rainstorm decline index

計(jì)算洪峰流量需確定洪峰匯流歷時(shí)τ，τ的計(jì)算式(2)中包含未知參數(shù)Qm，p，需采用試算迭代的方法對洪峰流量進(jìn)行求解。筆者在excel中建立式(1)和式(2)的聯(lián)動(dòng)求解模型，模型參數(shù)率定如前述。當(dāng)輸入洪峰流量試算值時(shí)，就會(huì)輸出一個(gè)洪峰流量值作為響應(yīng)。利用excel的單變量求解工具，將洪峰流量試算輸入值作為可變單元格，洪峰流量試算值與其響應(yīng)值之差作為目標(biāo)單元格，目標(biāo)值設(shè)為0。進(jìn)行單變量求解后的目標(biāo)單元格數(shù)值與響應(yīng)值相等，即為所求的設(shè)計(jì)洪峰流量，推理公式法計(jì)算成果見表4。

4.3 設(shè)計(jì)洪水成果分析與采用

根據(jù)淮河流域及小沙河綜合治理規(guī)劃，信陽市水利局先后于2011年初和2012年底對小沙河下游固始縣境內(nèi)保豐寺至土河入河口(以下簡稱保～土段)6.85km長的河道及磨盤山至保豐寺(以下簡稱磨～保段)5.27km長的河道進(jìn)行了治理。其中，磨～保段位于?！炼蔚南掠吻覂啥蜗噙B，起點(diǎn)磨盤山處與上游此次治理終點(diǎn)間主河道長度約10km。磨～保段和?！炼喂こ炭刂屏饔蛎娣e分別為268km2和279km2，均大于200km2，設(shè)計(jì)洪水均采用治理段終點(diǎn)處的淮上法計(jì)算成果。將?！炼瓮梁尤牒涌诤湍ァ６伪ＸS寺處淮上法設(shè)計(jì)洪水成果作為參證值，分別采用水文比擬法控制流域面積比的0.75次方推求曹家崗處洪峰流量，并與推理公式法設(shè)計(jì)洪水成果進(jìn)行對比，如表4所示。

表4 小沙河設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果表Tab.4 results of design peak flow of Xiaoshahe river regulatioin engineering

雖然?！炼魏湍ァ６卧O(shè)計(jì)洪水采用淮上法計(jì)算，但兩河段處于此次小沙河治理段的下游且水文地質(zhì)條件相近，其設(shè)計(jì)洪水水文比擬成果對驗(yàn)證推理公式法成果的合理性仍具有參考意義。觀察表4知，推理公式法設(shè)計(jì)洪水成果基本處于?！炼魏湍ァ６卧O(shè)計(jì)洪水水文比擬成果之間，成果偏差亦在允許范圍內(nèi)，說明推理公式法設(shè)計(jì)洪水成果合理，同時(shí)此次治理與下游治理河段采用的5年一遇除澇、10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)相一致，可以保證了同一河流上下游間設(shè)計(jì)洪水成果的協(xié)調(diào)。

由表4知，參照《05圖集》的推理公式法設(shè)計(jì)洪峰成果接近且大于《84圖集》計(jì)算成果，相對偏差不大于10%。由于《84圖集》和《05圖集》設(shè)計(jì)雨洪查算圖表間存在差異，導(dǎo)致查取的暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)有所偏差，繼而引起設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算成果的不同。《84圖集》是根據(jù)1975年淮河流域上游發(fā)生特大暴雨后，河南省參與的水利電力部組織分析編制全國年最大短歷時(shí)點(diǎn)暴雨參數(shù)等值線圖和暴雨徑流查算圖表相關(guān)工作的分析應(yīng)用成果匯編而成，采用的水文資料系列為1951～1980年。但近20年來，我省增加了大量暴雨資料，許多地區(qū)發(fā)生歷史最大或較大暴雨，暴雨量級不斷刷新。與《84圖集》相比，《05圖集》采用的資料系列為1951～2000年，系列延長近1倍，并增加了3天暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)資料，充分運(yùn)用了地理信息系統(tǒng)等計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用了目前我省暴雨方面最全面最系統(tǒng)的研究成果。因此，從工程安全性和資料來源可靠性考慮，此次小沙河治理工程推薦采用參照《05圖集》的推理公式法設(shè)計(jì)洪峰成果。

5 結(jié)語

本文結(jié)合小沙河治理工程實(shí)例探討了推理公式在豫南山丘區(qū)中小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的應(yīng)用，通過與下游已治理河段設(shè)計(jì)洪水水文比擬成果對比分析表明，推理公式法設(shè)計(jì)洪水成果合理可靠，保證了同一河流上下游間設(shè)計(jì)洪水成果的協(xié)調(diào)。但通過水文圖集查取暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)不可避免地會(huì)產(chǎn)生人為誤差，查算精度較低，造成設(shè)計(jì)雨洪計(jì)算成果不準(zhǔn)確。建議水利部門加大對中小流域水文觀測站點(diǎn)的建設(shè)，以滿足中小流域水利工程設(shè)計(jì)中對實(shí)測洪水流量的需求。

[1]中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要[M].人民出版社，2011.

[2]徐德龍，肖華.小流域設(shè)計(jì)洪水推理公式計(jì)算方法探討[J].人民長江，2000.

[3]陳家琦，張恭肅.小流域暴雨洪水計(jì)算[M].北京：水利電力出版社，1985.

[4]河南省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集[M].河南省水利設(shè)計(jì)院，1984.

[5]河南省暴雨參數(shù)圖集[M].河南省水文水資源局，2005.