推理公式法在商洛市骨干糧庫洪水分析中的應(yīng)用

陜西省商洛水文水資源勘測局 陜西商洛 726000

摘要：文章通過對(duì)商洛市骨干糧庫所在地的無資料地區(qū)進(jìn)行水文分析計(jì)算，由50年一遇設(shè)計(jì)暴雨量，采用推理公式推求相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水，進(jìn)而對(duì)糧庫所在地進(jìn)行安全分析，希望對(duì)無資料地區(qū)進(jìn)行洪水評(píng)價(jià)時(shí)有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：暴雨；設(shè)計(jì)洪水；推理公式；水面線；標(biāo)高安全分析

1.建設(shè)項(xiàng)目所在地、規(guī)模及內(nèi)容

商洛市骨干糧庫糧油倉儲(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目位于商洛市商州區(qū)楊峪河鎮(zhèn)南城子村七、八組，西起南城子苗圃與菜溝毗連；南以現(xiàn)狀山山根為界；北臨南秦河邊的307省道；東至柿子園。距商洛市城區(qū)約14公里，項(xiàng)目用地規(guī)模4.157公頃。糧庫總倉容量5萬t，食用油罐容5000t。主要建設(shè)內(nèi)容包括：平房倉6棟用油油罐6座及其它輔助設(shè)施957m2；綜合辦公樓1000m2，核定估算總投資6222萬元。該項(xiàng)目為一次設(shè)計(jì)，分兩期建設(shè)。

2.項(xiàng)目區(qū)地理位置、河流及氣候情況

項(xiàng)目所在地在丹江上游的一級(jí)支流南秦河上，所處斷面以上南秦河流域面積296.8 km2，河長30.5 km，河流平均比降19.0‰，位置位于北緯33°36′～33°56′，東經(jīng)109°31′～109°48′之間，流域呈羽毛狀。本地屬暖溫帶和北亞熱帶過渡性季風(fēng)氣候，四季分明；冬季寒冷少雨雪，空氣干燥；春季氣溫上升快，氣候溫和，降雨量開始增加；夏季氣溫較高；一年的主要降水期為秋季，秋季氣溫下降，陰雨較多。多年平均降雨量700㎜。暴雨多集中在7、8、9三個(gè)月，10月進(jìn)入陰雨季節(jié)，常發(fā)生連陰雨。

3.洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

項(xiàng)目區(qū)所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)的防洪標(biāo)準(zhǔn)為10—20年一遇洪水，由于骨干糧庫項(xiàng)目極其重要，涉及商洛市糧食安全，確定糧庫設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，因此本次分析計(jì)算采用的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按照50年一遇。

4.參證站資料的三性分析

（1）資料的可靠性分析

本次所用資料來自水文年鑒，水文年鑒是水文職工按照國家及行業(yè)頒布的技術(shù)規(guī)范和陜西省水文局下達(dá)的《測站任務(wù)書》的要求進(jìn)行資料觀測、計(jì)算、校核、復(fù)核，然后進(jìn)行整編和匯編。因此所用的資料是可靠的。

（2）資料的一致性分析

暴雨量設(shè)計(jì)采用了流域中心附近的站楊斜雨量站，楊斜雨量站于1967年建立至今已有47年了系列資料，資料系列連續(xù)完整，而且位置一直固定，因此資料系列一致性較好

（3）資料系列及代表性分析

楊斜雨量站有1967～2013年的47年實(shí)測洪水系列資料；在樣本數(shù)量上具有一定的代表性。

4.1設(shè)計(jì)洪水推算

糧庫項(xiàng)目所在區(qū)域?qū)儆跓o水文資料地區(qū)，因此可以先推求設(shè)計(jì)暴雨，然后由推理公式進(jìn)行分析計(jì)算，確定糧庫所在地的設(shè)計(jì)洪水，從而對(duì)項(xiàng)目所在地的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

4.1.2推理公式法推求洪水

4.1.2.1推求設(shè)計(jì)面雨量

楊斜雨量站位于本流域中心附近，以楊斜站為參證站，根據(jù)楊斜雨量站1967年至2013年47年的雨量資料，分別統(tǒng)計(jì)其歷年1h，3h，6h，12h，24h時(shí)段內(nèi)最大點(diǎn)降雨量，用頻率計(jì)算的方法分別推求其頻率為50年的設(shè)計(jì)暴雨量，見下表表3.1。在設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨確定后，由點(diǎn)面系數(shù)公式將由點(diǎn)雨量換算為面雨量。換算成果見表3.1。

表3.1 在各時(shí)段下相應(yīng)頻率的點(diǎn)雨量（單位mm）

時(shí)段點(diǎn)面雨量轉(zhuǎn)換

t（h）50年一遇點(diǎn)雨量50年一遇面雨量

366.456.2

697.790.1

12102.294.0

24118.7113.3

4.1.2.2設(shè)計(jì)面雨量的時(shí)程分配

根據(jù)商洛水文手冊，選用6小時(shí)的設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配雨型求其時(shí)段降雨量，參見下表3.2

表3.2 6小時(shí)設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配表

歷時(shí)（h）

項(xiàng)目123456合計(jì)

H1（%） 100 100

H3-H1（%） 58.1 41.9 100

H6-H3（%）15.353.7 31.0100

4.1.2.3由時(shí)段降雨和推理公式推求洪水

由暴雨間接推求洪水，首先假定設(shè)計(jì)暴雨與設(shè)計(jì)洪水是同頻率。根據(jù)我區(qū)水文氣象、地質(zhì)地貌、下墊面等因素確定產(chǎn)流方式為蓄滿產(chǎn)流。因此按蓄滿產(chǎn)流方式計(jì)算設(shè)計(jì)降雨過程的凈雨過程，由推理公式：Qm=0.278ht/t和τ=0.278L/（mJ^（1/3）Qm^（1/4））聯(lián)合推算洪峰流量。式中：

Qm---洪峰流量（m3/s）；

hτ---單雨峰相應(yīng)與τ時(shí)段的最大凈雨（mm）；

ht---單雨峰的凈雨（mm）；

F---流域面積；

m---經(jīng)驗(yàn)性的匯流系數(shù)；

L---河流長度（km）；

J---河道平均比降；

τ---流域匯流時(shí)間（h）；

0.278---單位換算系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算得出洪峰流量為572 m3/s。

4.1.2.4設(shè)計(jì)洪水為的推求

項(xiàng)目區(qū)所在南秦河河段，河床較平整，主槽相對(duì)穩(wěn)定，河段控制條件較好，在其附近河段選定上、中、下3個(gè)斷面作為計(jì)算控制斷面，其中～上斷面間距72.6m，中～下斷面間距80.9m。采用恒定非均勻流方程和曼寧公式兩種方法，計(jì)算各斷面50年一遇洪水的設(shè)計(jì)水面線。曼寧公式主要用于計(jì)算起始下斷面；其余斷面用非均勻流方程計(jì)算洪水位。

4.1.2.5采用曼寧公式計(jì)算洪水位

（1）計(jì)算方法

天然河道水力計(jì)算根據(jù)曼寧公式計(jì)算，公式為：

Q=AJ1/2R2/3/n

式中：

Q——流量，m3/s；

A——面積，m2；

J——比降；

R——水力半徑，m；

n——糙率。

根據(jù)確定的水面比降、河段糙率和實(shí)測的河道斷面，首先計(jì)算各形態(tài)斷面的水力因子，確定各斷面水位～面積曲線、水位～水力半徑關(guān)系曲線，然后按曼寧公式確定各斷面水位～流量關(guān)系曲線，最后根據(jù)設(shè)計(jì)流量即可求出各斷面的設(shè)計(jì)洪水位。

（2）計(jì)算參數(shù)

①河道糙率

參考丹江干流丹鳳水文站洪水實(shí)測糙率在0.025～0.028之間，丹江上游麻街水文站站1988年8月14日洪水實(shí)測糙率為0.027～0.031，其中洪峰時(shí)實(shí)測糙率為0.031，洪峰流量553m3/s；板橋水文站2003年8月28日洪水實(shí)測糙率為0.022～0.034，其中洪峰時(shí)實(shí)測糙率為0.034，洪峰流量550m3/s。從糙率具有上游大于下游，支流大于干流的分布規(guī)律，結(jié)合實(shí)地查看項(xiàng)目區(qū)兩岸河床的綜合狀況，確定南秦河糙率用0.036。

②控制斷面水位～流量關(guān)系的建立

根據(jù)實(shí)測橫斷面，使用曼寧公式推求下斷面處的水位～流量關(guān)系，分析洪水位。

4.1.2.6采用恒定非均勻流公式計(jì)算水面線

①公式選用

水面線計(jì)算采用恒定非均勻流公式計(jì)算，其方程為：

式中：

Zu、Zd—上、下游斷面水位；

Q—斷面流量；

△s—斷面間距；

Ku、Kd—上、下游斷面流量模數(shù)；

α—?jiǎng)幽苄拚禂?shù)；

ζ—局部水頭損失系數(shù)。

流量模數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：n為斷面糙率，A為斷面面積，R為水力半徑。

②參數(shù)確定

a、糙率確定

同曼寧公式法。

b、局部水頭損失系數(shù)確定

逐漸收縮的河段，局部水頭損失很小，可忽略不計(jì)。

5.南秦河斷面洪水位的推求

根據(jù)設(shè)計(jì)洪峰流量，在南秦河項(xiàng)目區(qū)所在河段附近選定3個(gè)斷面作為計(jì)算控制斷面。各斷面計(jì)算的各水力因子成果表4.1，各斷面項(xiàng)目設(shè)計(jì)洪水位表4.2。

表4.1 南秦河起始斷面水力因子成果表

斷面

名稱設(shè)計(jì)

洪水（m3/s）水位

（m）面積

（m2）河寬

（m）水力半徑

（m）比降流速

（m/s）

下斷面572785.1212047.32.540.008494.76

中斷面572785.7312447.22.630.007554.60

上斷面572786.4011847.62.470.009204.87

表4.2 糧庫所在地南秦河各斷面項(xiàng)目設(shè)計(jì)洪水位表

斷名稱面里程設(shè)計(jì)流量設(shè)計(jì)洪水位設(shè)計(jì)

超高復(fù)核

高程路面

標(biāo)高高差

（m）（m3/s）（m）（m）（m）（m）（m）

下斷面0572785.120.8785.92789.143.22

中斷面80.9572785.730.8786.53789.713.18

上斷面153.5572786.400.8787.20790.413.21

6.項(xiàng)目所在地地面標(biāo)高安全分析

糧庫項(xiàng)目場地地面標(biāo)高、排水口標(biāo)高主要取決于南秦河50年一遇設(shè)計(jì)洪水位，50年一遇洪水位又與河道河床演變有關(guān)。

項(xiàng)目所在南秦河河段，下游有南秦水庫，受南秦水庫的頂托，該河段水流流速減小，泥沙淤積，河床將逐步升高；南秦水庫庫尾分布了多個(gè)沙場，常年挖取河道沙石，附近村民等建設(shè)用沙，也從河道采取，使得河道下降。項(xiàng)目區(qū)河道河床主要受以上因素影響，河床的抬升與降低在交替進(jìn)行。近年來，河道取沙量大幅度增加，使河床下降幅度很大，有些地方已經(jīng)達(dá)到極限。本項(xiàng)目所在河段已出現(xiàn)基巖外露現(xiàn)象，下切已到極限。

由于南秦河已到了下切極限，未來河床變化趨勢只有抬升和保持現(xiàn)狀兩種情況，這兩種情況發(fā)生的決定因素是河道取沙的規(guī)模大小，取沙量大于等于來沙量，河床保持現(xiàn)狀；取沙量小于來沙量，河床慢慢抬升。

河流在平面上，受河堤和公路的制約，擺動(dòng)的幅度不會(huì)太大，也不排除較大洪水沖毀公路路基，使河流改道。

通過以上分析計(jì)算可知，由于南秦河下切，50年一遇洪水位低于公路3.2m，不會(huì)危及糧庫安全。

作者簡介：

陸琪 男，1971年3月出生，商洛水文局工程師，現(xiàn)主要從事水文預(yù)報(bào)工作。

楊碧波 女 1982年7月出生，商洛水文局工程師，現(xiàn)主要從事水文水資源分析評(píng)價(jià)工作。