興城市山洪災(zāi)害設(shè)計洪水計算方法分析

鞠飛

（遼寧省盤錦水文局，遼寧盤錦124010）

興城市山洪災(zāi)害設(shè)計洪水計算方法分析

鞠飛

（遼寧省盤錦水文局，遼寧盤錦124010）

文章通過典型頻率設(shè)計洪水計算和水位流量關(guān)系推求，對興城市山洪災(zāi)害設(shè)計洪水計算進(jìn)行了闡述。建立同一區(qū)域內(nèi)各小流域設(shè)計洪峰流量與流域面積間的相關(guān)關(guān)系，并與氣候條件、地形地貌、流域面積、流域形狀、河流長度等相似情況的設(shè)計洪水成果進(jìn)行比較分析，認(rèn)為計算方法合理。

興城市；山洪災(zāi)害；設(shè)計洪水；分析

1 概述

興城市山洪災(zāi)害設(shè)計洪水計算，包括典型頻率設(shè)計洪水計算和水位流量關(guān)系推求兩個主要內(nèi)容。根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計洪水規(guī)范方法，假定設(shè)計暴雨與設(shè)計洪水同頻率。當(dāng)河道上建有水庫等水利工程時，下游防災(zāi)對象設(shè)計洪水計算考慮水庫調(diào)蓄的影響，水位流量關(guān)系推求采用曼寧公式法。

2 典型頻率設(shè)計洪水計算

根據(jù)暴雨與洪水同頻率的假定，興城市沿河村落設(shè)計洪水頻率即設(shè)計暴雨的頻率；按《山洪災(zāi)害分析評價技術(shù)要求》確定為5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇5種；未進(jìn)行可能最大洪水分析。典型頻率洪水計算采用《遼寧省中小河流（無資料地區(qū)）設(shè)計暴雨洪水計算方法》中的推理公式法，并對結(jié)果進(jìn)行了合理性分析，保證設(shè)計洪水的合理性，以此進(jìn)行山洪災(zāi)害分析評價現(xiàn)狀防洪能力和預(yù)警指標(biāo)分析。

推理公式法計算公式如下：

Qp=0.278·φp·ip·F

式中：Qp——設(shè)計洪峰流量，m3/s；φp——洪峰徑流系數(shù)；ip——面暴雨強度，mm/h；F——流域集水面積，km2。

根據(jù)防災(zāi)對象所在分區(qū)，查得典型頻率設(shè)計洪水洪峰徑流系數(shù)、結(jié)合各防災(zāi)對象控制斷面上游集水面積、典型頻率設(shè)計面暴雨強度，計算防災(zāi)對象各頻率設(shè)計洪水。但由于有些防災(zāi)對象處于河流源頭附近，控制斷面上游流域面積較?。ㄐ∮?0 km2，甚至不足5 km2，見表1）、河長較短，比降較大，因此匯流時間很短，不足1小時，有些不足半小時，這就導(dǎo)致按照《遼寧省中小河流（無資料地區(qū)）設(shè)計暴雨洪水計算方法》計算出的典型頻率，設(shè)計面暴雨強度偏大，與實際不符，因此需要對的合理性進(jìn)行分析。具體分析方法：采用流域附近的雨量站歷史觀測資料，進(jìn)行頻率計算，用頻率計算出的1 h典型頻率降雨量與用《遼寧省中小河流（無資料地區(qū)）設(shè)計暴雨洪水計算方法》計算出的同頻率設(shè)計面暴雨強度進(jìn)行對比，當(dāng)《遼寧省中小河流（無資料地區(qū)）設(shè)計暴雨洪水計算方法》計算結(jié)果大于實測雨量資料頻率計算結(jié)果時，采用實測雨量資料頻率計算結(jié)果。

3 水位流量關(guān)系推算

根據(jù)實測的控制斷面成果，采用比降面積法計算控制斷面的不同水位對應(yīng)的流量，確定斷面的水位流量關(guān)系，繪制水位流量關(guān)系曲線。把控制斷面設(shè)計洪水洪峰流量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的水位。

各流域防災(zāi)對象控制斷面水位流量關(guān)系計算采用曼寧公式，計算公式如下：

表1 興城市各防災(zāi)對象不同面積范圍數(shù)量統(tǒng)計表

式中：Q——流量，m3/s；A——斷面過水面積，m2；n——糙率；R——水力半徑，m；J——比降。

根據(jù)曼寧公式，確定各計算參數(shù)，從而推求出各防災(zāi)對象控制斷面的水位流量關(guān)系曲線，并基于調(diào)查成果資料，根據(jù)水位流量關(guān)系和河道比降，將居民住房位置及高程測量成果轉(zhuǎn)換為控制斷面的水位—人口關(guān)系曲線。

3.1 參數(shù)的確定

在曼寧公式中，比降和糙率是兩個非常重要的參數(shù)，二者確定正確合理與否，直接決定水位流量關(guān)系的準(zhǔn)確度。

1）比降確定。曼寧公式中，比降是指洪水水面比降。但是，由于洪災(zāi)害發(fā)生地的河段上大都沒有布設(shè)水文站，沒有水文要素（包括水面比降）的實測系列資料。特別洪痕調(diào)查，河流溝道隨著時間變化較大，加之被調(diào)查人員對洪水場次記憶不清，所以，調(diào)查的洪痕資料前后不符、差異較大、因人而異較多，一次暴雨洪水上下游、相鄰村屯數(shù)據(jù)有時相互矛盾，可信度較差。對于小河流采用河床比降作為水位流量關(guān)系中的比降，利用洪水調(diào)查資料進(jìn)行校核，綜合確定。

2）糙率確定。采用曼寧公式計算時，糙率是一個重要參數(shù)，應(yīng)參照防災(zāi)對象所在河流的溝道形態(tài)、溝道下墊面情況、床面粗糙情況、植被生長狀況、彎曲程度以及人工建筑物等因素確定。主要注意幾個環(huán)節(jié)：一是通過河道村屯縱橫大斷面測量查勘溝道、床面實際情況；二是關(guān)鍵部位拍攝照片備查；三是河段上下游節(jié)點綜合考慮；四是按天然河道糙率確定規(guī)范查表法確定河道糙率。

3.2 水位流量關(guān)系推算

根據(jù)各防災(zāi)對象控制斷面測量成果（大斷面圖）確定不同水位級過水面積及濕周，從而計算水力半徑，計算公式如下：

式中：R——水力半徑，m；A——過水面積，m2；χ——濕周，m。

根據(jù)上面比降、糙率、水力半徑的確定方法，應(yīng)用曼寧公式確定各個防災(zāi)對象控制斷面的水位流量關(guān)系曲線，并采用平均流速外包線分析法對水位流量關(guān)系的合理性進(jìn)行驗證。

興城水文站位于興城河下游，流域特征與這次分析評價的小流域特征相近，因此選擇該站作為代表站。首先收集了興城水文站2012年具有代表性的一次洪水過程，統(tǒng)計平均水深與平均流速資料，建立平均水深-平均流速相關(guān)關(guān)系。

對于某個防災(zāi)對象的控制斷面，按照曼寧公式推求出水位-流量關(guān)系曲線，通過控制斷面大斷面圖能夠計算出該水位對應(yīng)的過水面積、濕周、水力半徑（平均水深），通過水位-流量關(guān)系曲線能夠得到該水位對應(yīng)的流量，通過流量與過水面積可以計算出平均流速。檢驗該水位對應(yīng)的平均水深與平均流速是否符合興城站平均水深-平均流速關(guān)系，從而確定曼寧公式推求出的水位-流量關(guān)系曲線的合理性。

3.3 水位-人口關(guān)系曲線確定

水位-人口關(guān)系曲線確定，特別注意了以下兩點：①簡化計算水位-人口關(guān)系，由于沿河村落住戶相對集中，且離控制斷面不是太遠(yuǎn)，在將居民住房位置及高程測量成果轉(zhuǎn)化為控制斷面的水位-人口關(guān)系時，簡化了河道比降以及居民住房位置與控制斷面沿河道距離兩個要素，將未在控制斷面線上的居民住房高程通過實地調(diào)查，房基地高程測量及各房基地的地理位置綜合考慮將其轉(zhuǎn)化到控制斷面線上。②水位-人口關(guān)系中，間距避免太大，滿足后續(xù)各級危險區(qū)等級劃分時人口統(tǒng)計的精度。

4 成果合理性分析

興城市山洪災(zāi)害設(shè)計洪水合理性分析，采用如下方法：

1）與這次山洪災(zāi)害歷史洪水調(diào)查資料進(jìn)行比較分析。

2）在不同設(shè)計頻率下，建立同一區(qū)域內(nèi)各小流域設(shè)計洪峰流量與流域面積間的相關(guān)關(guān)系，并與氣候條件、地形地貌、植被、土壤、流域面積、流域形狀、河流長度等相似情況的設(shè)計洪水成果進(jìn)行比較分析。

3）采用多種方法進(jìn)行分析計算，確定設(shè)計洪水成果。

由于興城市評價流域內(nèi)難以獲得詳細(xì)、全面的山洪災(zāi)害歷史洪水調(diào)查資料，這次評價流域的氣候、地形地貌、植被、土壤等情況相似，故采用方法2進(jìn)行設(shè)計洪水合理性分析，并在此基礎(chǔ)上，加入相近流域?qū)崪y資料。

通過建立典型頻率下的10個流域設(shè)計洪峰流量、興城河興城水文站歷史洪峰流量觀測資料計算出的同頻率洪峰流量、烏金塘水庫《小凌河流域規(guī)劃》設(shè)計成果中同頻率入庫洪峰流量與流域面積的相關(guān)關(guān)系，分析設(shè)計洪峰流量的合理性。興城市各流域（水文、水庫站）典型頻率設(shè)計（實測）洪峰流量與流域面積見表2。

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