寧夏荒漠區(qū)設(shè)計洪水計算分析研究

【摘 "要】設(shè)計洪水計算是工程設(shè)計的技術(shù)依據(jù)。本文以靈武市馬家灘礦區(qū)南湖工程水文分析計算為例，就寧夏荒漠區(qū)暴雨洪水特點、設(shè)計洪水計算以及成果合理性分析進(jìn)行了論述，提出荒漠區(qū)設(shè)計洪水計算中要結(jié)合實地勘察合理選取參數(shù)，同時產(chǎn)流計算要充分考慮損失，為今后同類地區(qū)計算設(shè)計洪水提供參考。

【關(guān)鍵詞】設(shè)計洪水;荒漠區(qū);寧夏

1引言

寧夏荒漠區(qū)洪水調(diào)查資料缺乏，設(shè)計洪水計算屬于無資料地區(qū)，需用暴雨推求設(shè)計洪水，在計算過程中，產(chǎn)匯流計算需要根據(jù)實地情況合理選取參數(shù)，以保證計算結(jié)果合理可靠，本次以靈武市馬家灘礦區(qū)南湖工程水文分析為例，分析荒漠區(qū)設(shè)計洪水計算過程中需要注意的問題及特點。

2工程所處流域概況

工程區(qū)位于靈武市馬家灘鎮(zhèn)以南，鹽池縣馮記溝鄉(xiāng)以北。地處毛烏素沙漠西南邊緣，位于鹽池內(nèi)流河流域，屬低緩的半沙漠緩坡丘陵地貌單元。地形多呈梁崗狀臺地及封閉型洼地，部分地區(qū)零星分布著流動沙丘，形成風(fēng)積地貌。梁崗多呈南北向分布，頂部寬闊平緩，低緩丘陵梁崗之間的廣大地區(qū)屬沖洪積平原，地勢較為平坦寬闊，無明顯的山洪溝道。局部地帶形成很多封閉型洼地，為地表水和地下水匯集地，地下水多為高礦化咸水，由于長期蒸發(fā)濃縮作用，形成一系列鹽堿地和鹽池。工程控制流域以風(fēng)蝕為主，洪水溝道不明顯或為風(fēng)沙掩埋，僅馬家灘鎮(zhèn)西北方有較為明顯的流水溝道，平日無地表徑流，屬于風(fēng)沙干旱區(qū)。

3水文要素

項目區(qū)多年平均降水量240.0mm，由南向北遞減。降水年際變化大，年內(nèi)分配不均，主要集中在7、8、9三個月，占全年降水量的59.0%。多年平均水面蒸發(fā)量1500mm（E601型蒸發(fā)器）。11月至次年3月為結(jié)冰期，水面蒸發(fā)量小，最小月出現(xiàn)在氣溫最低月的1月份、12月份。春季風(fēng)大，氣溫回升，蒸發(fā)量增大，最大月蒸發(fā)量一般出現(xiàn)在5、6月份。干旱指數(shù)為6.3，為干旱區(qū)。

流域的徑流年內(nèi)分配不均，主要集中在汛期6～9月，與降水年內(nèi)變化相應(yīng)。年際變化很大，最大、最小相差7.9倍。該流域多年平均年徑流量90.3萬m3，多年平均徑流量偏差系數(shù)Cv值為0.65，偏態(tài)系數(shù)Cs=2.0Cv，其保證率為50%、75%的設(shè)計徑流分別為78.0萬m3、47.0萬m3。

區(qū)域多年平均輸沙模數(shù)1000t/km2，年輸沙總量60.2萬t，輸沙量主要集中在6～9月，占全年輸沙總量的98.2%。

4暴雨洪水特性

4.1暴雨特性

該區(qū)域處于干旱區(qū)，暴雨的發(fā)生有明顯季節(jié)性，6～9月正是太平洋副熱帶高壓極盛時期，暖濕氣流大量輸送，形成中小尺度切變、低渦，和本地的冷空氣配合，輻合上升運(yùn)動較強(qiáng)，易形成雨強(qiáng)大、歷時短、籠罩面積小的局地暴雨。暴雨持續(xù)時間短、強(qiáng)度大，點面折減快，極易造成災(zāi)害。各年發(fā)生暴雨次數(shù)不等，暴雨一般集中在每年的6～9月。

4.2洪水特性

該區(qū)域洪水特性與暴雨特性相應(yīng)，即年際變化大，有明顯的季節(jié)性、地區(qū)性。洪水大小及發(fā)生次數(shù)與暴雨強(qiáng)度、歷時、籠罩面積等因素有關(guān)。

區(qū)域暴雨洪水不均勻的特性較為明顯，洪峰流量隨流域面積的增大而緩慢增加，一般為單峰，復(fù)式洪峰較少。洪峰流量大小與產(chǎn)流面積、暴雨集中程度、歷時有關(guān)。歷時短，洪峰陡漲陡落，峰高量小，峰型尖瘦，洪水歷時一般在3～6h。

5設(shè)計洪水

該流域內(nèi)沒有實測水文資料，采用暴雨資料推求設(shè)計洪水，依據(jù)《寧夏暴雨洪水圖集》、《寧夏干旱半干旱區(qū)小流域暴雨洪水泥沙研究》及新修訂的寧夏不同歷時暴雨參數(shù)等值線圖。由于工程控制范圍大，在計算中選取了多個斷面分別進(jìn)行計算，計算方法一致，本文僅以3號斷面（56.82km2）為例進(jìn)行設(shè)計洪水計算分析。

5.1設(shè)計暴雨

該區(qū)域1小時、6小時各保證率設(shè)計點雨量均值為17.5mm、32.0mm。設(shè)計最大點雨量參數(shù)，1小時Cv=0.72，6小時Cv=0.68，Cs=3.5Cv。

表1 " 計算斷面各保證率設(shè)計點面雨量表

5.2設(shè)計洪水

5.2.1產(chǎn)流計算

根據(jù)工程設(shè)計頻率和不同歷時點雨量均值及統(tǒng)計參數(shù)等值線圖，求出該流域設(shè)計點雨量，然后根據(jù)不同計算分區(qū)、面積、重現(xiàn)期等選擇點面折減系數(shù)，求得不同保證率的面雨量。該區(qū)選用同頻內(nèi)包雨型，然后由面雨量過程以扣損法計算產(chǎn)流過程。

產(chǎn)流公式如下：

Ri=Hi-fi

Ri-為產(chǎn)流期某時段凈雨 （mm）;

Hi-為產(chǎn)流期某時段面雨量 （mm）;

fi-為產(chǎn)流期某時段損失水量（mm）;

《寧夏暴雨洪水圖集》產(chǎn)流區(qū)劃分中該項目區(qū)屬于黃土丘陵II1區(qū)。隨著資料系列延長，《寧夏干旱半干旱區(qū)小流域暴雨洪水泥沙研究》對產(chǎn)匯流區(qū)進(jìn)一步的細(xì)化，該項目區(qū)屬于風(fēng)沙干旱區(qū)中的沙漠區(qū)。根據(jù)實地勘察，結(jié)合與該區(qū)域地形地貌相近的鹽池王樂井鄉(xiāng)歷史洪水資料，本次產(chǎn)流區(qū)采用《寧夏干旱半干旱區(qū)小流域暴雨洪水泥沙研究》中的沙漠區(qū)扣損公式計算。同時考慮流域內(nèi)沒有成型溝道，洼地比較多，土壤下滲比較大，暴雨形成的徑流邊匯流邊下滲，到達(dá)計算斷面的洪水逐步減少，所以本次平均損失率在沙漠區(qū)的基礎(chǔ)上系數(shù)加大10%計算，公式如下：

沙漠區(qū)（加大10%）：

5.2.2匯流計算

匯流計算是根據(jù)推求的設(shè)計凈雨過程 Ri推求流域出口斷面的洪水流量過程，采用納希瞬時單位線法推求。按瞬時單位線原理，就是凈雨歷時趨于零的極小時段內(nèi)產(chǎn)生的一個單位凈雨（1mm凈雨深）在出口處所形成的流量過程線，其公式為：

u（t）=

式中：t——時段變量;

u（t）——為t時的瞬時單位線的縱坐標(biāo);

n，k——為瞬時單位線形狀參數(shù);

Γ（n）——伽瑪函數(shù)

據(jù)上式可導(dǎo)出時段單位線方程式為：

q（Δt·t）=

式中： "q（Δt·t）面積為F的流域上，t時段內(nèi)凈雨量為1mm的單位線在t時段的縱坐標(biāo)，以m3/s計;

Δt——計算時段長（h）;

——換算系數(shù);

——納希瞬時單位的累積曲線，又稱S（t）曲線;

——形同S（t）曲線，唯在時間坐標(biāo)上錯后Δt時，用S（t-Δt）表示。

[S（t）- S（t-Δt）]簡寫為ΔS（t），稱為Δt小時無因次時段t時的縱高。一般以μ（Δt·t）表示。

5.2.3計算參數(shù)

在計算瞬時單位線，進(jìn)行洪水演進(jìn)時，須求得參數(shù)n，k，滯時M，計算公式如下：

n=1.22L0.231，K=M1i/n，M1i=0.148L0.9i-0.093

i——產(chǎn)流區(qū)平均凈雨強(qiáng)度（mm/h）;

L——概化長度（km）。

5.2.4計算成果

通過計算，斷面10年、20年、30年一遇暴雨基本不產(chǎn)生洪水，主要由于該區(qū)域地形比較平坦，土壤基本為沙土，下滲量比較大，加之沙生植物生長，流域內(nèi)無明顯溝型，降雨基本全部下滲。結(jié)合鹽池縣王樂井鄉(xiāng)歷史洪水分析，948洪水分析成果“沙漠區(qū)一般20～30一遇暴雨基本不產(chǎn)生洪水，50年一遇產(chǎn)生正常洪水的一半，百年以上暴雨才能產(chǎn)生較大洪水（約10～20年一遇）”。計算成果與歷時洪水調(diào)查結(jié)果基本一致，符合實際情況。

表2 "斷面各保證率設(shè)計洪峰流量、洪水總量表

6成果合理性分析

該流域內(nèi)沒有實測水文資料，本次利用Google Earth對本區(qū)域下墊面條件與90年代進(jìn)行對比分析，該區(qū)域現(xiàn)狀植被覆蓋率較90年代有了較大幅度提高，主要是近二十年來封山禁牧的效果。地形條件基本沒有變化，本次采用地貌類型與該流域非常接近的鹽池縣9408暴雨洪水成果比較分析。

6.1設(shè)計暴雨的合理性

鹽池縣9408暴雨洪水長城以北斷面集水面積17.4km2，6小時點雨量83.7mm，重現(xiàn)期24年一遇，本次計算項目區(qū)30年一遇6小時點雨量85.4mm，與長城以北調(diào)查斷面相差2.0%。八堡斷面集水面積66.5km2，6小時點雨量151mm，重現(xiàn)期246年一遇，本次計算項目區(qū)300年一遇6小時點雨量141mm，與八堡斷面調(diào)查值相差6.6%。從點雨量均值等值線圖分析，本區(qū)域1h、6h點雨量均值比鹽池縣城附近略小，說明本次計算值是合理的。

6.2設(shè)計洪水的合理性

6.2.1暴雨與洪水頻率

根據(jù)鹽池縣948暴雨洪水計算，八堡斷面暴雨的重現(xiàn)期為246年一遇，長城以北區(qū)域暴雨的重現(xiàn)期為24年一遇，洪水重現(xiàn)期分別為45年、2年。說明該區(qū)域洪水重現(xiàn)期遠(yuǎn)小于暴雨的重現(xiàn)期。鹽池縣948暴雨洪水調(diào)查各分區(qū)暴雨與洪水頻率對照表見表3。

表3 " 各分區(qū)暴雨與洪水頻率對照表

分區(qū) 平均雨量 暴雨重現(xiàn)期 洪水重現(xiàn)期

草泥洼 163 374 16

紅山溝 136 152 16

野湖井 221 超千年 超千年

城南林場 204 超千年 75

八堡 151 246 45

得勝墩 133 138 133

長城以北 83.7 24 2.2

本次分析成果中，重現(xiàn)期30年以下的暴雨基本不產(chǎn)生洪水，超過50年的暴雨才產(chǎn)生洪水的結(jié)論是合理的。

6.2.2洪峰模數(shù)

“948”暴雨洪水成果中調(diào)查的八堡斷面調(diào)查洪峰流量98.0m3/s，調(diào)查重現(xiàn)期45年一遇，計算洪峰流量154m3/s，計算洪峰重現(xiàn)期195年一遇。計算與調(diào)查值相差較大，主要原因是控制區(qū)域內(nèi)的洪水無行洪溝道，調(diào)查斷面只控制了本區(qū)域來水的一部分，因此，調(diào)查洪峰值偏小。八堡斷面調(diào)查洪峰模數(shù)1.47，計算洪峰模數(shù)2.32，本分析成果中與八堡斷面控制面積接近的3號斷面控制流域面積56.82km2，計算面積27.41km2，采用6小時同頻內(nèi)包雨型計算設(shè)計洪水，與6小時面雨量同頻的設(shè)計洪水，300年一遇洪峰模數(shù)1.83，介于八堡斷面調(diào)查洪峰與計算的洪峰模數(shù)之間。由于八堡調(diào)查斷面洪水沒有全部控制，所以調(diào)查值偏小，洪峰模數(shù)也偏小，本次計算洪峰模數(shù)略大于八堡斷面調(diào)查的洪峰模數(shù)，基本合理。

表4 " 設(shè)計洪水與鹽池948暴雨洪水八堡斷面調(diào)查值對比表

分項 948暴雨洪水八堡斷面 本次計算 對比結(jié)果（%）

集水面積 66.5 56.82 -14.6

6小時點雨量 151 141 -6.6

重現(xiàn)期 246 300

洪峰模數(shù) 調(diào)查洪峰模數(shù) 1.47 1.83

計算洪峰模數(shù) 2.32

平均 1.90 -3.4

6.2.3徑流系數(shù)

（1）根據(jù)苦水河流域郭家橋水文站實測暴雨洪水資料統(tǒng)計分析，其徑流系數(shù)多在0.08～0.11之間。

表5 "苦水河郭家橋歷史大洪水分析成果對照表

編號 平均面雨量（mm） 降水總量（108m3） 洪峰流量（m3/s） 洪水總量（108m3） 徑流系數(shù)

680825 29 1.51 487 0.168 0.11

940805 29.5 1.54 505 0.168 0.11

990718 47.2 2.46 525 0.22 0.09

020608 65.6 3.42 676 0.284 0.08

（2）根據(jù)鹽池縣948暴雨洪水調(diào)查成果，暴雨降水總量達(dá)5373萬m3，真正形成的洪水總量僅為714萬m3，徑流系數(shù)平均為0.13。

鹽池縣948暴雨洪水調(diào)查成果中，八堡斷面暴雨的重現(xiàn)期為246年一遇，徑流系數(shù)0.15，長城以北區(qū)域暴雨的重現(xiàn)期為24年一遇，徑流系數(shù)0.02。說明調(diào)查斷面的徑流系數(shù)與暴雨重現(xiàn)期關(guān)系密切，暴雨重現(xiàn)期越稀遇，徑流系數(shù)越大，反之越小。且該區(qū)域洪水重現(xiàn)期遠(yuǎn)小于暴雨的重現(xiàn)期。與八堡斷面面積接近的3號斷面300年一遇降水總量649.5萬m3，相應(yīng)的洪水總量44.6萬m3，徑流系數(shù)0.07，比郭家橋水文站和八堡調(diào)查斷面徑流系數(shù)小。

表6 " 調(diào)查斷面徑流系數(shù)分析對照表

分區(qū) 平均雨量 重現(xiàn)期 洪水重現(xiàn)期 徑流系數(shù)

八堡 151 246 45 0.15

長城以北 83.7 24 2 0.02

經(jīng)與該區(qū)域鄰近的水文站實測資料分析及調(diào)查洪水資料對比分析，考慮該區(qū)域的地形、地貌特點及流域產(chǎn)匯流條件及實地勘察情況，由于該區(qū)域沒有成型溝道，洼地較多，經(jīng)與90年代植被覆蓋率相比，植被覆蓋度有了較大幅度提高。因此，相比948調(diào)查暴雨洪水情況，徑流系數(shù)偏小是合理的。加之區(qū)域內(nèi)洼地較多，降水一部分下滲，形成徑流的部分通過植被截蓄，部分匯入就近洼地，實際匯入計算斷面的洪水比較小。因此，徑流系數(shù)也小。所以，本次設(shè)計洪水計算的逐項成果是合理。

7結(jié)論

（1）對于水文站分布較少，且缺乏實測資料的荒漠區(qū)，設(shè)計洪水一般采取暴雨推求。

（2）荒漠區(qū)土壤以風(fēng)沙土為主，結(jié)構(gòu)松散，侵蝕嚴(yán)重，肥力脊薄，降雨入滲比較大，相應(yīng)暴雨產(chǎn)流過程中，扣損較其他地區(qū)偏大。

（3）寧夏荒漠區(qū)雖無明顯溝道或洪水較少，但仍然有大暴雨及較大洪水發(fā)生，而且部分行洪溝道是當(dāng)次暴雨形成，洪水過后被風(fēng)沙掩埋，所以在計算設(shè)計洪水時需根據(jù)實地勘察合理選取參數(shù)計算。

（4）重現(xiàn)期30年以下的暴雨基本不產(chǎn)生洪水，超過50年的暴雨才產(chǎn)生洪水的結(jié)論是合理的

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