南水北調(diào)設(shè)計(jì)洪水分析方法

石煥玲 何書會(huì)

（河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021）

南水北調(diào)設(shè)計(jì)洪水分析方法

石煥玲 何書會(huì)

（河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021）

南水北調(diào)總干渠通過河北省太行山前的坡水區(qū)，針對(duì)通過地區(qū)范圍廣、交叉河流眾多等特點(diǎn)，采用多種方法進(jìn)行了全面深入的分析和研究，提出了符合我省各河流實(shí)際情況的設(shè)計(jì)洪水成果。

南水北調(diào) 設(shè)計(jì)洪水 分析

南水北調(diào)總干渠通過河北省太行山前的坡水區(qū)，交叉河流眾多,范圍大、河流特征各異、流域面積大小懸殊、資料不齊是交叉河流設(shè)計(jì)洪水的一大特點(diǎn)，并且坡水地區(qū)河流一直沒有成熟的計(jì)算方法。為此，利用系統(tǒng)工程的理論和觀點(diǎn)，從基本資料，流域特性，水利工程情況入手，對(duì)不同河流設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算途徑、采用方法、參數(shù)選取等進(jìn)行了全面深入的分析研究，解決了大范圍無徑流資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的難題，同時(shí)使大、小流域、高低標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水得到協(xié)調(diào)。提出了符合我省各河流實(shí)際情況的設(shè)計(jì)洪水成果，為南水北調(diào)工程的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

1 基本情況

南水北調(diào)中線工程是國內(nèi)外規(guī)?？涨暗目缌饔虺笮驼{(diào)水工程，是國家跨世紀(jì)的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，總干渠自河南省安陽市豐樂鎮(zhèn)西穿過漳河進(jìn)入河北省后，基本沿太行山東麓和京廣鐵路西側(cè)北行，線路全長461km。穿越大小河溝237條，其中流域面積最大的河流是滹沱河，面積為23794km2，最小的河溝是店北溝，面積僅有0.52km2。這些河流需修建眾多交叉建筑物，設(shè)計(jì)洪水是正確確定交叉建筑物型式和規(guī)模的主要依據(jù)，是關(guān)系到南水北調(diào)中線工程總投資數(shù)額和總干渠運(yùn)行安全與否的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。面對(duì)這些面積大小懸殊、資料參差不齊、流域差異性較大的河流，設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算方法尤為重要，尤其是20km2以下的小型河溝，基本處于太行山前的坡水區(qū)，不但資料缺乏，并且一直沒有適應(yīng)于本地區(qū)的成熟的計(jì)算方法。為此，利用系統(tǒng)工程的理論和觀點(diǎn)，對(duì)不同河流設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算途徑、采用方法、參數(shù)選取等進(jìn)行了全面深入的分析研究，簡要介紹如下。

2 河流分類

由于交叉河流的面積、特性、流域內(nèi)工程、資料等情況各異，在設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算前，首先對(duì)各河的基本情況進(jìn)行了系統(tǒng)分析，粗略的分為幾大類。第一大類，有實(shí)測徑流資料的河流，其中又分為兩類：（1）交叉斷面上下游附近有實(shí)測洪水資料，且流域內(nèi)無大、中型水利工程或有水利工程但工程控制面積較小基本不起削峰作用的河流；（2）交叉斷面上下游附近有實(shí)測洪水資料，且流域內(nèi)有大、中型水利工程的河流；第二大類，無實(shí)測徑流資料的河流，其中又分為兩類：（1）流域內(nèi)有大、中型水利工程的河流；（2）流域內(nèi)無大、中型水利工程，流域面積大于100km2的河流；流域面積小于100km2的河流。

3 計(jì)算方法分析

本著盡量采用實(shí)測資料的原則，即有流量資料直接采用實(shí)測流量分析法，無流量資料的充分利用已有的暴雨資料，通過暴雨途徑推求設(shè)計(jì)洪水。針對(duì)不同的河流條件選用了不同的計(jì)算方

法：（1）交叉斷面上下游附近有實(shí)測洪水資料，且上游無大、中型水利工程的河流直接利用實(shí)測洪水系列，加入調(diào)查歷史洪水，采用頻率計(jì)算法進(jìn)行分析；（2）交叉斷面上下游附近有實(shí)測洪水資料，且上游有大、中型水利工程的河流，交叉斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用水庫設(shè)計(jì)、區(qū)間相應(yīng)或區(qū)間設(shè)計(jì)、水庫相應(yīng)，全流域控制的方法計(jì)算，綜合分析確定采用成果；（3）交叉斷面上下游附近無實(shí)測洪水資料的河流，流域內(nèi)有大、中型水利工程的河流，交叉斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用水庫設(shè)計(jì)、區(qū)間相應(yīng)或區(qū)間設(shè)計(jì)、水庫相應(yīng)，全流域控制的方法計(jì)算，綜合分析確定采用成果。（4）交叉斷面上下游附近無實(shí)測洪水資料的河流，流域內(nèi)無大、中型水利工程的河流，需通過暴雨途徑推求。流域面積大于100km2的河流采用瞬時(shí)單位線法，小于100km2的河流采用推理公式法。對(duì)于100km2左右的河流，采用上述兩種方法分析比較合理選用。

（1）實(shí)測資料法

依據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL44-2006）中的規(guī)定，當(dāng)工程所在地區(qū)具有30年以上實(shí)測和插補(bǔ)延長洪水流量資料，并具有歷史洪水資料時(shí)，應(yīng)采用頻率分析法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。

頻率計(jì)算中的洪峰流量和不同時(shí)段的洪量系列，應(yīng)由每年最大值組成。當(dāng)洪水特性在一年內(nèi)隨季節(jié)或成因明顯不同時(shí)，應(yīng)分別進(jìn)行選樣統(tǒng)計(jì)。頻率曲線的線型一般采用皮爾遜Ⅲ型。

（2）根據(jù)暴雨資料推算設(shè)計(jì)洪水

由暴雨途徑間接推算設(shè)計(jì)洪水，包括設(shè)計(jì)暴雨、產(chǎn)流計(jì)算和匯流計(jì)算三個(gè)環(huán)節(jié)。

①設(shè)計(jì)暴雨。設(shè)計(jì)暴雨即推求設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)內(nèi)的面暴雨過程，包括設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)確定，設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)內(nèi)不同時(shí)段的設(shè)計(jì)暴雨量，設(shè)計(jì)雨型選擇和設(shè)計(jì)面暴雨過程推求幾個(gè)環(huán)節(jié)。

設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)依據(jù)流域面積的大小和計(jì)算需要綜合確定，一般對(duì)于流域面積較大而應(yīng)用“圖集”法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水的河流，其設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)根據(jù)計(jì)算的需要采用3d；而面積較小應(yīng)用推理公式法計(jì)算洪峰流量的河流，次暴雨歷時(shí)一般在24h以內(nèi)，其設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)采用24h。

鑒于各交叉河流流域內(nèi)雨量站較少，尤其是缺少短歷時(shí)暴雨資料，經(jīng)分析，流域設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨計(jì)算采用《河北省設(shè)計(jì)暴雨圖集》（2004年）中的暴雨等值線圖進(jìn)行查算，根據(jù)各河流流域中心所在的位置，從暴雨特征值等值線圖上查取1h、6h、24h及3d暴雨的均值H0及變差系數(shù)Cv值，計(jì)算不同重現(xiàn)期的點(diǎn)暴雨量。再通過暴雨的點(diǎn)面關(guān)系推求面暴雨成果。

設(shè)計(jì)雨型經(jīng)分析采用“63.8”暴雨橫山嶺雨型，該雨型的最大1h處于第17位，對(duì)工程偏于安全。

②產(chǎn)流計(jì)算。產(chǎn)流計(jì)算即推算設(shè)計(jì)凈雨過程。包括設(shè)計(jì)次暴雨凈雨深的計(jì)算，和產(chǎn)流方法的確定，據(jù)此推算凈雨過程。推求次暴雨凈雨深即由設(shè)計(jì)次暴雨量查暴雨徑流關(guān)系得到。在產(chǎn)流計(jì)算中，根據(jù)河北省太行山及山前坡水區(qū)的產(chǎn)流特點(diǎn)，采用初損后損法。

③匯流計(jì)算。流域匯流計(jì)算依據(jù)我省設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，多采用推理公式法和瞬時(shí)單位線法，推理公式法一般適用于流域面積小于等于100km2河流，而瞬時(shí)單位線法適用于流域面積大于100km2河流。

a)推理公式法

本次采用推理公式法是由暴雨推求設(shè)計(jì)洪水的主要方法之一。公式形式如下：

式中，hτ為單一洪峰的凈雨(mm)；

Qm為洪峰流量(m3/s)；

τ為流域匯流時(shí)間(h)；

F為流域面積(km2)；

L為沿主河道從出口斷面至分水嶺最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離(km)；

J為沿流程L的平均比降（以小數(shù)計(jì)）；

m為綜合匯流參數(shù)。

b）瞬時(shí)單位線法

對(duì)于缺乏實(shí)測洪水資料且流域面積大于100km2的河流，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算通常采用瞬時(shí)單位線法，公式基本形式如下：

式中，u(T,t)為時(shí)段為T的單位線；

S(t)為通常稱S曲線，其數(shù)學(xué)形式為：

s（t）為可根據(jù)n及從s（t）曲線表中查取，s（T-t）為s（t）曲線移后T小時(shí)所得的s曲線。n、k為參數(shù)，n值在圖集中已給出，k值通過m1=nk確定。m1用下式計(jì)算：

式中，m1為洪峰滯時(shí)；

Ka為流域面積不對(duì)稱系數(shù)；

B為流域平均寬度（km）；

F為流域面積（km2）；

l為流域長度（km）；

L為主河道長度（km）；

J為主河道坡度（‰）；

I為有效降雨歷時(shí)的平均凈雨強(qiáng)度（mm/h）。

4 結(jié)語

南水北調(diào)總干渠在河北省通過地區(qū)范圍廣、交叉河流眾多，設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算涉及多種方法，其成果的合理性至關(guān)重要，尤其是缺乏實(shí)測流量資料采用暴雨途徑計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水，因涉及諸多因素和環(huán)節(jié)，如點(diǎn)面關(guān)系的換算、長短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨的確定、雨型以及產(chǎn)流、匯流等多個(gè)計(jì)算環(huán)節(jié)，這些中間環(huán)節(jié)所涉及的有關(guān)因素更為復(fù)雜，所采用的處理方法又存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，至使計(jì)算的成果差異較大，因此在設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中，應(yīng)盡可能的采用幾種方法，對(duì)成果進(jìn)行比較，綜合分析，合理選用。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.025

TV672

B

1672-2469(2014)12-0069-03

石煥玲（1980年—），女，工程師。