水利水電工程設(shè)計(jì)的洪水計(jì)算方法分析

【摘 要】山洪災(zāi)害是山丘區(qū)由于降雨引發(fā)的山洪、泥石流、滑坡等對(duì)人民生命、財(cái)產(chǎn)造成損失的災(zāi)害。暴雨山洪來(lái)勢(shì)猛、成災(zāi)快，且山丘區(qū)暴雨的發(fā)生常具突發(fā)性，因山高坡陡，洪水匯流快，流速大，加之人口和財(cái)產(chǎn)分布在有限的低洼平地上，往往在洪水過(guò)境的短時(shí)間內(nèi)即可造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。本文介紹了水利水電工程設(shè)計(jì)的洪水計(jì)算之前所需要的準(zhǔn)備工作，并且具體闡述了水利水電工程設(shè)計(jì)的洪水計(jì)算方法。

【關(guān)鍵詞】水利水電工程；洪水計(jì)算；工程設(shè)計(jì)；分析

一、計(jì)算之前的準(zhǔn)備

1. 資料搜集與復(fù)核

在對(duì)水利水電工程設(shè)計(jì)的洪水進(jìn)行計(jì)算之前，需要對(duì)整個(gè)工程的資料進(jìn)行整理，找出計(jì)算所需要的河道特征、地區(qū)降水情況和地質(zhì)現(xiàn)狀、地區(qū)其他水利設(shè)施等等資料，對(duì)這些資料進(jìn)行整理與復(fù)核，對(duì)于一些特殊的情況往往還需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，從而取得最準(zhǔn)確的資料。如果在復(fù)核過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)及時(shí)改正。復(fù)核的重點(diǎn)包括以下內(nèi)容：一是水位資料，包括水基準(zhǔn)面的變動(dòng)情況和換算關(guān)系，對(duì)于水尺位置、大洪水時(shí)期的資料、水尺零點(diǎn)高程變動(dòng)位移等重點(diǎn)復(fù)核；二是流量資料，復(fù)核的內(nèi)容包括水面流速系數(shù)、浮標(biāo)系數(shù)、計(jì)算斷面選擇的合理性和水流量關(guān)系曲線(xiàn)的可靠性。

2. 洪水資料差補(bǔ)延長(zhǎng)

對(duì)于需要計(jì)算的洪水，在整理資料的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)中間有點(diǎn)年份沒(méi)有測(cè)量，就需要采取一定的措施對(duì)資料進(jìn)行差補(bǔ)延長(zhǎng)，其具體內(nèi)容包括：若水利水電工程的上下游或者附近流域的監(jiān)測(cè)站具有詳細(xì)的資料，可以參照這些資料進(jìn)行補(bǔ)充；若在不同的時(shí)期，洪峰與洪量的關(guān)系較好，也可以互相差補(bǔ)；若整個(gè)流域洪水與暴雨具有較好的關(guān)系，也可以根據(jù)暴雨的資料對(duì)洪水資料進(jìn)行插補(bǔ)。插補(bǔ)資料需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的分析論證，確定其合理性之后才能使用。

二、水利水電工程設(shè)計(jì)的洪水計(jì)算方法

1. 洪水系列

在頻率的計(jì)算中使用的洪量系列和洪峰流量應(yīng)當(dāng)取全年中的最大值。如果洪水的特性受到季節(jié)或者氣候的影響較大，可以采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法找出一個(gè)合理的值。對(duì)于洪水系列的分析，可以采用可靠性分析、代表性分析與一致性分析的綜合方法。

2. 洪水災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)、安全區(qū)的劃分

（1） 危險(xiǎn)區(qū)：①已有明顯變形和裂縫，可能產(chǎn)生山體崩塌、滑坡等災(zāi)害的區(qū)域。②含有軟弱夾層的順向坡，坡度大于巖層傾角，且?guī)r層傾角大于30度的陡坡，可能產(chǎn)生滑坡影響的區(qū)域。③處于歷史洪水線(xiàn)及各河10年一遇洪水淹沒(méi)線(xiàn)以下河谷、溝口、河灘、易損堤段范圍以及陡坡下、低洼處、不穩(wěn)定山體下的村莊、居民點(diǎn)所在區(qū)域。

（2）對(duì)難以通過(guò)頻率計(jì)算山洪的無(wú)資料或資料短缺地區(qū)：將常遇山洪威脅范圍劃為危險(xiǎn)區(qū)。

（3） 安全區(qū)：對(duì)處于歷史最高洪水線(xiàn)以上、各溪河百年一遇洪水線(xiàn)以上能避開(kāi)山洪、泥石流、滑坡威脅，地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的區(qū)域。

3..洪水的洪峰流量計(jì)算

（1） 各河流百年一遇和十年一遇頻率設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水公式推求設(shè)計(jì)洪峰流量，采用公式：

1）短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨推算法：

使用《遼寧省水文手冊(cè)》中根據(jù)短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨推算（簡(jiǎn)稱(chēng)“推算法”），其方法見(jiàn)《遼寧省水文手冊(cè)》第7—8頁(yè)。其中所用暴雨參數(shù)使用現(xiàn)在計(jì)算值。

設(shè)計(jì)洪峰流量按如下公式計(jì)算：

式中：――不同頻率的洪峰流量（m3/s）

――年最大24小時(shí)暴雨不同頻率的模比系數(shù)，由水文手冊(cè)圖十查出CV，CS=3.5CV，由附錄（一）（4）表根據(jù)相應(yīng)CV值查得

――不同頻率的洪峰徑流系數(shù)，由水文手冊(cè)表四根據(jù)所在水文分區(qū)查得

――不因頻率而變的常數(shù)流量（m3/s），等于、、三者之乘積

――從水文手冊(cè)表五根據(jù)所屬水文分區(qū)由查得

――短歷時(shí)暴雨指數(shù)

――流域匯流歷時(shí)（小時(shí)）

――年最大24小時(shí)暴雨均值（mm），由水文手冊(cè)圖九查讀

――集水面積（km2）

X、Y――地區(qū)參數(shù)，可由水文手冊(cè)圖十一查得

2）水文比擬法：

對(duì)以上計(jì)算方法采用水文比擬法驗(yàn)證如下：

根據(jù)水文比擬法和現(xiàn)有的各水文站的實(shí)測(cè)資料，算出各山洪溝（河流）的設(shè)計(jì)洪峰流量值。

比擬公式： （4-2）

式中：Q設(shè)——設(shè)計(jì)站洪峰流量，m3/s；

Q參——參證站洪峰流量，m3/s；

F設(shè)——設(shè)計(jì)站流域面積，km2；

F參——參證站流域面積，km2；

n ——經(jīng)驗(yàn)性指數(shù)，對(duì)于洪量可取n=1，對(duì)于洪峰，應(yīng)根據(jù)本河流或鄰近河流上、下游站的實(shí)測(cè)資料或調(diào)查洪水資料按上式反求，一般河流n值為0.5～0.7，較小河流的n值可大于0.7。

根據(jù)地理位置、氣候條件及區(qū)內(nèi)流域情況，采用的參證站為龍頭山水文站，通過(guò)對(duì)龍頭山水文站基本資料的調(diào)查：

F參=3587km2，Q參10=350m3/s，Q參100=800m3/s n值取0.7。

4. 設(shè)計(jì)值的確定（1）如果設(shè)計(jì)地區(qū)的資料出現(xiàn)短缺，可以使用鄰近地區(qū)的資料，綜合分析以后選定出適合設(shè)計(jì)流域的數(shù)值。（2）如果水利水電工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不高，例如在最近很多年洪水與暴雨都很少出現(xiàn)，但是在歷史資料中具有明確記載的洪水、暴雨資料，需要對(duì)歷史資料進(jìn)行調(diào)整，將調(diào)整后的數(shù)值作為工程的設(shè)計(jì)洪水。5. 設(shè)計(jì)洪水水面線(xiàn)根據(jù)對(duì)各條河流的實(shí)地勘察，利用曼寧公式、伯努里方程和歷史調(diào)查方法計(jì)算10年一遇和100年一遇設(shè)計(jì)洪水水位，在1：10000地形圖上繪制洪水水面線(xiàn)，做出洪水洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖。

曼寧公式：

式中：Q——設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；

n——河床糙率；

A——過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；

R——水力半徑，m；

I——水面比降。

各河流設(shè)計(jì)流量已知，河床比降約等于水面比降，河床糙率n值查閱各年水文統(tǒng)計(jì)年鑒、洪水調(diào)查資料確定和水力計(jì)算手冊(cè)。采用試算法計(jì)算得出各河流的設(shè)計(jì)洪水過(guò)水?dāng)嗝婷娣e的水力半徑，從而得出各河流設(shè)計(jì)洪水出口水面高程。

天然河道的水流一般是非恒定非均勻流，由于河道中各種水力要素隨時(shí)間的變化非常緩慢，可以認(rèn)為天然河道在一定時(shí)間內(nèi)是恒定非均勻流，水面曲線(xiàn)的計(jì)算，是對(duì)河道相鄰兩斷面列出伯努里方程，從已知斷面水位，依次求解此方程，得出未知斷面的水位，這些斷面的水位的連線(xiàn)，就是河道的水面曲線(xiàn)。

根據(jù)伯努里方程：

式中：Z1、V1——斷面1的水位和流速；

Z2、V2——斷面2的水位和流速；

hW =hy+ hj ——斷面1到斷面2之間的水頭損失；

=×ΔL——沿程水頭損失；

=/（）——沿程摩阻坡度；

，，——斷面1和斷面2的平均流速、平均流速系數(shù)、平均水力半徑；

ΔL——兩斷面間的距離；

hj =-ξ（V12/2g-V22/2g）——局部水頭損失；

ξ——河段的局部阻力系數(shù)，

在順直河段及收縮河段ξ=0，

逐步擴(kuò)散河段ξ=（0.3～0.5），

設(shè)有Z，使得K=0，則此Z即為方程的解，用二分法求解，可得Z2。依次可求得河流各斷面的設(shè)計(jì)洪水水位。

連接各條河流設(shè)計(jì)洪水時(shí)各斷面的水位，就得到設(shè)計(jì)洪水水面線(xiàn)，從而確定出各流域的危險(xiǎn)區(qū)和安全區(qū)。

6. 入庫(kù)設(shè)計(jì)洪水

對(duì)于典型的入庫(kù)洪水，分析計(jì)算方法包括以下幾種：

（1）流量疊加法。這種方法適用于當(dāng)在水庫(kù)周邊附近有水文站，其控制面積占?jí)沃芬陨厦娣e的比重較大、資料較完整可靠時(shí)，可以分別計(jì)算粉干直流、庫(kù)面分區(qū)和區(qū)間陸面的入庫(kù)洪水，最后疊加成入庫(kù)洪水。

（2）流量反演法。如果支流洪水在整個(gè)入庫(kù)區(qū)域占據(jù)的比重很小，可以直接使用馬斯京干法或槽蓄曲線(xiàn)法推算入庫(kù)洪水。

（3）水量平衡法。對(duì)于已建水庫(kù)，可根據(jù)水庫(kù)下泄流量及水庫(kù)蓄水量的變化反推入庫(kù)洪水。

另外，根據(jù)資料條件及工程設(shè)計(jì)需要，可采用下列方法計(jì)算集中的或分區(qū)的入庫(kù)設(shè)計(jì)洪水：當(dāng)有較長(zhǎng)的入庫(kù)洪水系列時(shí)，可采用頻率分析法計(jì)算入庫(kù)設(shè)計(jì)洪水；當(dāng)入庫(kù)洪水系列較短，不能采用頻率分析法時(shí)，可采用壩址設(shè)計(jì)洪水的放大倍比放大典型入庫(kù)洪水作為入庫(kù)設(shè)計(jì)洪水；當(dāng)匯入庫(kù)區(qū)的支流洪水所占比重較小時(shí)，可將壩址設(shè)計(jì)洪水采用流量反演法推求入庫(kù)設(shè)計(jì)洪水。

7. 暴雨資料推算法

有時(shí)候還需要根據(jù)當(dāng)?shù)乇┯甑馁Y料對(duì)你洪水量進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算方法有兩種：如果當(dāng)?shù)亟邓枯^多并且暴雨出現(xiàn)比較頻繁，可以通過(guò)對(duì)暴雨頻率進(jìn)行分析。

從而得出結(jié)果；如果水利水電工程所在的區(qū)域暴雨很少出現(xiàn)，就可以使用相應(yīng)歷時(shí)的設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨量和暴雨點(diǎn)面關(guān)系間接計(jì)算；如果該地區(qū)幾乎不會(huì)出現(xiàn)暴雨，可用設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨量作為流域設(shè)計(jì)面平均暴雨量。

三、結(jié)束語(yǔ)

水利水電工程設(shè)計(jì)的洪水計(jì)算對(duì)于工程的規(guī)模、投資的合理性和工程建筑的安全性都有很大的影響，是水利水電工程建設(shè)中的重要內(nèi)容。在計(jì)算過(guò)程中，必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，選擇正確的方法和數(shù)據(jù)，從而保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，為水利水電工程提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉月英，馬雪梅，李強(qiáng).小匯水面積設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法[J].東北水利水電，2008（8）.

[2]杜明格，劉國(guó)東.無(wú)資料地區(qū)徑流量計(jì)算方法的探討[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（4）.

[3]張衛(wèi)華，余艷紅，魏朝富.臨江河高橋—烽火廟河段洪水分析[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（3）.

[4]王卓娟，喬娟.湖北省小型水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（03）.