青海省化隆縣黑城溝“20160814”洪水重現(xiàn)期分析

任亮明

(民和縣水利管理站，青海 民和 810800)

0 引 言

2016年8月14日，黑城溝流域發(fā)生洪水，化隆縣牙什尕鎮(zhèn)局部河段防洪堤被沖毀，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，開展黑城溝洪水調(diào)查，確定最大洪峰流量以及確定重現(xiàn)期對今后災(zāi)情評估具有十分重要意義。

1 基本概況

1.1 流域概況

黑城溝發(fā)源于拉脊山脈南麓，河源海拔3 400 m，地勢總體北高南低。自北向南流經(jīng)雙格達(dá)、扎拉毛、扎巴鎮(zhèn)、拉讓灘、拉公麻村、完尕灘、下多巴村等，最后經(jīng)牙什尕鎮(zhèn)入黃河，溝道寬度為45～70 m，呈U型不對稱，自然坡度10°～15°。

黑城溝流域的防洪工程溝道相對高差約100 m，耕地及村莊分布于溝道兩岸I、II 級臺地上，階面寬50～500 m，略傾向于河床。溝道治理段前半段I 級臺地較窄，右岸斜坡臺地高于河床2.0～30 m，左岸盤龍曲瑪村高于河床30 m左右；后半段黑城溝出口的沖積山，臺地較開闊右岸高于河床1.5 m左右，左岸河床基本持平。

1.2 氣候特征

化隆縣牙什尕鎮(zhèn)地處中緯度內(nèi)陸高原，屬典型的大陸性氣候，冬季漫長，夏季涼爽，氣候干燥，氣溫日差較大，無霜期短。降水量在時空分布上很不均勻，時間上冬春較為干旱，夏秋則常有局地暴雨和連陰雨發(fā)生，日照時間長，日照充足，太陽輻射強(qiáng)，年日照時數(shù)2 373～2 910 h，區(qū)內(nèi)多年平均氣溫8.4℃，年平均最高氣溫19.8℃，年平均最低氣溫-5.5℃，年無霜期170天，最大凍土深度82 cm，年降水量291.5 mm，6-9月份降雨量最多，占全年降雨量的77%。年蒸發(fā)量為1 450 mm，年平均風(fēng)速為2.0 m/s，最大風(fēng)速為17 m/s。

2 洪水調(diào)查

2.1 歷史洪水調(diào)查成果

據(jù)《青海省洪水調(diào)查及水文分析資料》[1]中黃河流域共和、貴德、化隆、循化所屬主要支溝洪水調(diào)查成果表記載，黑城溝附近左岸黃河一級支流雄先溝、昂思多溝等發(fā)生過25～100年一遇的暴雨洪水。洪水調(diào)查資料中記載的主要為黑城溝流域上游小支溝的歷史洪水調(diào)查成果，見表1。

表1 黑城溝流域主要支溝洪水調(diào)查成果表

2.2 黑城溝流域“20160814”洪水

1990至2015年期間，該河流曾發(fā)生過3～4次大洪水。其中1990年洪水最大，洪水漫過河流右岸公路，下游三叉路口居民地被淹，未聽父輩說過該河流發(fā)生過更大的大洪水。由于歷史洪水發(fā)生時間較早，河床為砂礫石，沖淤變化較大，且河道近期受人類活動影響較大，不易確定歷史洪水洪痕位置。

2016年8月14日20時30分至8月15日凌晨3時，化隆縣牙什尕、查甫、扎巴、昂思多4鄉(xiāng)鎮(zhèn)境內(nèi)遭遇強(qiáng)降雨天氣，致使4鄉(xiāng)鎮(zhèn)44個村、10 000人受災(zāi)。此次降雨持續(xù)時間長、強(qiáng)度大，4鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)作物、基礎(chǔ)設(shè)施及家庭財產(chǎn)損失嚴(yán)重。

本次洪水調(diào)查對此次洪水受損最嚴(yán)重的4 km河段進(jìn)行了查勘，通過實地查勘、被訪者指認(rèn)，查勘河段洪水沖刷嚴(yán)重，痕跡明顯。為確保此次洪水調(diào)查的準(zhǔn)確性，走訪調(diào)查了化隆縣牙什尕鎮(zhèn)下一村村民：此次洪水發(fā)生在2016年8月14日晚上，持續(xù)時間短，水量大，洪水夾雜著大量的泥沙和樹木等漂浮物等，洪水呈紅褐色，十分黏稠。

按照《水文調(diào)查規(guī)范》[2]要求，洪水調(diào)查所選擇的河段應(yīng)基本順直，河床相對穩(wěn)定，斷面形狀沿程變化不大，無卡口、急灘及較大的深潭，水流通暢，無明顯回流區(qū)和其它阻水現(xiàn)象，洪痕明顯。洪痕水面線沒有明顯轉(zhuǎn)折，洪調(diào)河段無支流加入及分流現(xiàn)象，大水時無流向分叉及斜流現(xiàn)象。黑城溝溝道流域面積207 km2，溝道長度為29 km，平均比降60‰。洪水調(diào)查斷面選擇在黑城溝牙什尕鎮(zhèn)入黃河口段，地理坐標(biāo)為E101°56′，N36°04′。調(diào)查河段布設(shè)上、中、下3處斷面，各斷面間距50 m，用四等水準(zhǔn)施測橫斷面、縱斷面及洪水痕跡高程，洪水調(diào)查大斷面及洪痕見圖1。

圖1 洪水調(diào)查大斷面圖及洪痕圖

2.3 洪峰流量確定

根據(jù)《比降-面積法測流規(guī)范》(SL 174-1985)[3]，洪峰流量采用恒定非均勻流公式計算：

(1)

黑城溝2016年8月14日調(diào)查洪水成果見表2。

表2 黑城溝洪水調(diào)查成果統(tǒng)計表

3 設(shè)計洪水計算

由于黑城溝流域沒有實測洪水資料，根據(jù)文獻(xiàn)[4-6]等規(guī)定，對于無資料地區(qū)，設(shè)計洪水的計算方法主要有洪峰流量模數(shù)法、設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水、地區(qū)經(jīng)驗公式和水文比擬等方法。根據(jù)計算區(qū)域的暴雨洪水特性，通過合理性分析后確定符合實際的設(shè)計洪水成果。

3.1 洪峰流量模數(shù)法

(2)

3.2 設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水法

3.2.1 設(shè)計暴雨

3.2.2 產(chǎn)流計算

影響黑城溝流域產(chǎn)流的主要因素是降雨量和雨強(qiáng)，分析降雨量和損失之間的關(guān)系時，主要考慮雨強(qiáng)的影響。采用扣損法進(jìn)行產(chǎn)流計算，計算公式：

(3)

式(3)中參數(shù)μ0，D，ɑ選用《青海省東部地區(qū)暴雨洪水圖集》中綜合外延后淺山腦山混合區(qū)的值，即μ0=37 mm/h，D=42，ɑ=0.30。采用試算法求解μ和tc，用μ值在設(shè)計暴雨時程分配圖主雨峰處進(jìn)行平割，求得設(shè)計凈雨R。

3.2.3 匯流計算

采用推理公式進(jìn)行匯流計算。目前水利部門最為廣泛應(yīng)用的推理公式形式是水科院法，屬于半推理半經(jīng)驗的概念性模型。其基本形式為：

(4)

當(dāng)τ≤tc時，洪峰流量Qm系由全部流域面積上τ時段內(nèi)的最大凈雨所形成，即全面匯流，計算公式為：

(5)

當(dāng)τ>tc時，洪峰流量Qm系由部分流域面積上tc時段內(nèi)的全部凈雨所形成，即部分匯流，計算公式為：

(6)

3.3 經(jīng)驗公式法

《青海省水文手冊》[8]中點(diǎn)繪了重現(xiàn)期為1 000，500，200，100，50，20，10年年最大流量與流域面積的關(guān)系，綜合后共分成9個區(qū)，分別建立了相應(yīng)的經(jīng)驗公式。根據(jù)黑城溝流域面積，計算相應(yīng)設(shè)計頻率的最大流量。

3.4 水文比擬法推求設(shè)計洪水

水文比擬法適合流域自然、地理、氣候下墊面條件相似的地區(qū)和具有上下游關(guān)系及區(qū)間無其它支流匯入的設(shè)計洪水計算[9]。計算公式：

Q設(shè)=(F設(shè)/F參)2/3Q參

(7)

式中：Q設(shè)為設(shè)計斷面的洪峰流量，m3/s；Q參為參證水文站的洪峰流量，m3/s；F設(shè)為設(shè)計斷面的面積，km2；F參為參證水文站的面積，km2。

黑城溝和巴燕溝同屬黃河左岸一級支流，面積相近，巴燕溝上設(shè)有化隆水文站，流域面積217 km2，河道平均比降40.2‰，資料代表性好，采用化隆水文站作參證站進(jìn)行黑城溝的設(shè)計洪峰流量計算。

4 設(shè)計洪水計算結(jié)果選取

黑城溝流域不同頻率的設(shè)計洪峰流量采用推理公式法、洪峰流量模數(shù)法、經(jīng)驗公式和水文比擬法進(jìn)行了計算。不同方法計算成果比較見表3。

從表3中可以看出，計算結(jié)果差異較大。究竟采用何種方法的結(jié)果較為合理更接近實際情況，需從4種方法的假定條件及適用情況出發(fā)對比分析合理確定。

推理公式屬于半推理半經(jīng)驗的概念性模型，該法有兩個假定：一是假定很多由暴雨形成洪水的環(huán)節(jié)全流域一致(平均)；二是假定匯流符合線性規(guī)律。這與實際不相符，導(dǎo)致結(jié)果產(chǎn)生誤差；經(jīng)驗公式法是建立在某地區(qū)和鄰近地區(qū)的實測洪水和調(diào)查洪水資料基礎(chǔ)上，探求地區(qū)經(jīng)驗性的規(guī)律。由于受地區(qū)內(nèi)各站降水均勻程度及流域內(nèi)自然地理條件的影響，使用該方法有一定的局限；水文比擬法是以化隆水文站的年最大流量與面積所定的關(guān)系移用到黑城溝流域的，是在假定參證站與設(shè)計站洪峰流量模數(shù)相同的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，采用化隆水文站計算黑城溝流域設(shè)計洪水結(jié)果偏小；洪峰流量模數(shù)等值線圖考慮了流域下墊面的變化情況，是統(tǒng)計分析和地區(qū)綜合的結(jié)果，此方法相對正確合理。

綜上所述，考慮防洪工程的安全，選用洪峰模數(shù)等值線法計算的設(shè)計洪峰流量更為合理，結(jié)果可信度較高，可作為黑城溝設(shè)計洪水的最終結(jié)果。黑城溝流域20年一遇設(shè)計洪水流量104 m3/s，其值與《青海省化隆縣黑城溝防洪工程初步設(shè)計報告》[10]中的成果接近(Q5%=96.25 m3/s)。

5 結(jié) 論

1) 通過對黑城溝流域2016年8月14洪水進(jìn)行實地踏勘、調(diào)查、訪問、洪水調(diào)查，采用恒定非均勻流公式計算洪峰流量為132 m3/s。

2) 對黑城溝流域設(shè)計洪水分別采用推理公式法、經(jīng)驗公式法、洪峰流量模數(shù)法和水文比擬法，進(jìn)行不同重現(xiàn)期的設(shè)計洪水計算。按照“多種途徑，綜合分析，合理選定”的原則，并從防洪安全角度考慮，確定黑城溝流域采用洪峰模數(shù)等值線法計算的設(shè)計洪水成果，即100年、50年、30年、20年和10年一遇設(shè)計洪水流量分別為179，146，123，104和74.1 m3/s。

3) 2016年8月14日發(fā)生的暴雨洪水洪峰流量為132 m3/s，相當(dāng)于調(diào)查斷面40年一遇的洪水。