無實測水文資料地區(qū)洪水計算與分析

楊菊香

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，太原 030024）

在工程設(shè)計中，大多數(shù)引供水工程輸水線路較長，其輸水線路經(jīng)過山區(qū)河道、溝道時，考慮防洪、沖刷，需要計算一定防洪標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計洪水，以保護(hù)輸水管道的防洪安全。但線路穿越山洪溝道區(qū)域大多為無實測水文資料地區(qū)，需要由設(shè)計暴雨間接推求設(shè)計洪水。本文以晉中市平遙縣柳根河、櫻澗河洪水計算為例，并對計算區(qū)域進(jìn)行歷史洪水調(diào)查分析，最終取得較為滿意合理的計算結(jié)果。

1 基本資料選用

引供水工程沿線穿越山洪溝道，各洪溝由于無實測洪水資料，也短缺實測降雨資料和徑流資料，所以主要參考2011年3月山西省水利廳編著的 《山西省水文計算手冊》（簡稱《手冊》），并借用參考管線附近的水文站、氣象站的實測降水量和流量資料，以便分析計算比較。

2 設(shè)計洪水

以推理公式法計算設(shè)計洪水，并在分析雨洪特性、調(diào)查歷史洪水的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理性檢查與綜合分析，從而確定洪水計算的合理成果。

2.1 雨洪特性

區(qū)域內(nèi)暴雨基本上出現(xiàn)在汛期6～9月份，最大暴雨多發(fā)生在7、8月份，多年平均最大24h降水量55～65mm。洪溝洪水主要由暴雨形成，匯流速度較快，漲落迅速。

2.2 歷史調(diào)查洪水

大多數(shù)山洪溝道區(qū)域由于固定居民少，很難調(diào)查歷史洪水，本次也沒有調(diào)查到歷史洪水。但是根據(jù)《汾河流域規(guī)劃》，1977年8月5日汾河中游以平遙為中心，發(fā)生了一次暴雨洪水，使平遙以下汾河干流發(fā)生暴雨災(zāi)害。根據(jù)《山西省黃河流域洪水調(diào)查成果表》，1977年8月5日櫻澗河流域面積67.6km2，洪峰流量607m3/s；柳根河集水面積70.7km2，洪峰流量383m3/s。參考附近的昌源河盤陀水文站，1977年7月6日大洪水相當(dāng)于150年一遇洪水，參考下游的義棠水文站，1977年8月5日大洪水相當(dāng)于10年一遇洪水，本次支溝洪水重現(xiàn)期考慮為50年。

2.3 暴雨洪水計算

2.3.1 設(shè)計暴雨計算

在《手冊》山西省水文分區(qū)圖中，該流域?qū)儆谥袇^(qū)，由《手冊》查得各定點點暴雨均值及Cv值等暴雨統(tǒng)計特征值，檢查合理后計算設(shè)計點雨量流域平均值，并通過點面折減系數(shù)及設(shè)計暴雨的時-深關(guān)系求得設(shè)計面暴雨。設(shè)計點暴雨流域平均值如表1，設(shè)計暴雨合理性檢查及綜合分析如圖1所示。

表1 設(shè)計點暴雨流域平均值 單位：mm

圖1 設(shè)計暴雨合理性檢查及綜合分析

由圖1可見，各頻率的“參數(shù)—歷時”關(guān)系曲線之間距離合理，符合一般規(guī)律，即均值隨著歷時延長而遞增，在雙對數(shù)坐標(biāo)系中表現(xiàn)為微微上凸、連續(xù)、單增的光滑曲線；變差系數(shù)隨歷時變化的規(guī)律表現(xiàn)為左偏鈴形連續(xù)光滑曲線，極大值出現(xiàn)在6h處。

2.3.2 流域產(chǎn)流計算

2.3.2.1 設(shè)計凈雨深計算

設(shè)計凈雨深計算采用雙曲正切模型，該模型結(jié)構(gòu)計算公式為：

式中 tanh為雙曲正切運算符；tZ為設(shè)計暴雨的主雨歷時（h）； Hp，A（tZ）為設(shè)計暴雨的主雨面雨量（mm）；FA（tZ）為主雨歷時內(nèi)的流域可能損失（mm）。

流域可能損失計算：

式中 Sr，A為流域包氣帶充分風(fēng)干時的吸收率，反映流域的綜合吸水能力（mm/h1/2）；KS，A為流域包氣帶飽和時的導(dǎo)水率（mm/h）；B0，p為設(shè)計頻率的流域持水度。

2.3.2.2 凈雨過程計算

損失率根據(jù)產(chǎn)流歷時 tc及暴雨參數(shù) Sp，A、ns、λ 值計算：

其中，時段凈雨計算公式為：

式中 △hp，j為設(shè)計時段凈雨深 （mm）；△t為計算時段（h）；j為時雨型“模板”中的序位編號；tj-1為 j時段的開始時刻。

2.3.3 推理公式法計算設(shè)計洪水

推理公式法采用數(shù)值法進(jìn)行求解，數(shù)值法根據(jù)聯(lián)立方程組求解。

式中 A為流域面積（km2）；L為河長（km）；J為河流縱比降（‰）；m為匯流參數(shù)。

本文采用推理公式法分別計算柳根河、櫻澗河設(shè)計洪峰流量，計算成果如表2。

表2 設(shè)計洪峰流量計算成果

2.4 設(shè)計洪水成果合理性分析與確定

將表2推算的設(shè)計洪峰流量與歷史調(diào)查洪水進(jìn)行比較，綜合分析后，檢查各洪溝設(shè)計洪峰流量成果的合理性。

通過歷史調(diào)查洪水分析，1977年8月5日汾河發(fā)生過一場大洪水，柳根河、櫻澗河調(diào)查洪峰流量為607m3/s、383m3/s，參考義棠水文站和盤陀水文站，1977年8月5日大洪水相當(dāng)于50年一遇洪水，計算洪峰流量模數(shù)分別為 5.4m3/（s·km2）、9.0m3/（s·km2）。推理公式法計算50年一遇洪峰流量模數(shù)分別為5.9m3/（s·km2）、11.2m3/（s·km2）。洪峰流量模數(shù)計算比較如表3。

表3 洪峰流量模數(shù)計算比較

由表3可見，柳根河設(shè)計計算斷面與歷史洪水調(diào)查斷面面積相近，歷史調(diào)查洪水洪峰流量模數(shù)與推理公式法計算的50年一遇洪峰流量模數(shù)也是基本接近。櫻澗河設(shè)計計算斷面與歷史洪水調(diào)查斷面面積相差較大，歷史調(diào)查洪水洪峰流量模數(shù)與推理公式法計算的50年一遇洪峰流量模數(shù)比較，可見流量模數(shù)符合一般的規(guī)律分布：洪峰模數(shù)隨著流域面積減小而增大。從而說明柳根河、櫻澗河本次推理公式法計算設(shè)計洪水成果是合理的。

因此，通過與1977年8月歷史調(diào)查洪水比較，通過洪峰模數(shù)地區(qū)綜合分析，推理公式法分析成果較為合理。

3 結(jié)語

以推理公式法對平遙縣柳根河、櫻澗河進(jìn)行暴雨洪水計算，并在分析雨洪特性、調(diào)查歷史洪水的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理性檢查與地區(qū)綜合分析，最終驗證推理公式法洪水計算成果為合理的，從而證實了對于無實測水文資料地區(qū)的設(shè)計洪水計算，應(yīng)該與歷史調(diào)查洪水比較后進(jìn)行分析論證為宜。另外，對于重要的工程，建議及時設(shè)立水文站進(jìn)行觀測，用實測資料進(jìn)一步驗證推算設(shè)計洪水成果。

［1］馮德光，田金鋼.無資料地區(qū)設(shè)計洪水分析［J］.海河水利，2005（4）:45-49.

［2］山西省水利廳.山西省水文計算手冊［K］.鄭州:黃河水利出版社，2011.

［3］山西省水利廳.山西省歷史洪水調(diào)查成果［M］.鄭州:黃河水利出版社，2011.

［4］武鵬林，霍德敏，等.水利計算及水庫調(diào)度［M］.北京:地震出版社，2000.

［5］葉守澤.水文水利計算［M］.北京:水利電力出版社，1995.