洺河渡槽“7·19”洪峰及河道糙率反演計算與分析

孫聰影 計炳生

2016年 7月19日 至 21日 ，河 北 省中南部地區(qū)發(fā)生了自1996年以來的最大暴雨洪水，山區(qū)主要行洪河道均出現(xiàn)了漲峰行洪，其中洺河也發(fā)生了較大的暴雨洪水，為了保障南水北調(diào)中線干線工程洺河渡槽防洪安全，對于洺河渡槽工程位置洪峰流量進行反演計算，合理分析此次洪水過程，對于正確認識洺河渡槽防洪安全存在的問題，保障工程安全具有重要意義。

1.河道糙率初步擬定

對“7·19”洪水前的河道情況進行分析，河床為沙質(zhì)、礫石和卵石組成，底坡較為均勻，河床面不平整，河道中有較多樹木和雜草，根據(jù)《水力計算手冊》天然河道糙率表結(jié)合我省工程實踐分析，河道綜合糙率宜取0.05。工程附近河道中村莊及阻水建筑物糙率取值0.1。

2.水文站觀測資料收集及洪痕調(diào)查

收集了工程位置下游9.3km 的臨洺關(guān)水文站“7·19”洪水的水位流量實測資料，最大洪峰流量為5780m3/s。由于工程位置向下游傳播過程中洪峰削減，洺河渡槽位置洪峰流量推測應(yīng)大于5780m3/s。

我們對洺河渡槽工程上游約1.5km 至臨洺關(guān)水文站共計10.8km 的河段洪痕情況進行了調(diào)查分析，以實際調(diào)查為主，詢問當?shù)厝罕姙檩o，共調(diào)查點據(jù)20 處，洪痕點總體可靠。

3.洪水反演計算

3.1 常規(guī)天然河道水面線推算法

根據(jù)洪痕水位，考慮河道洪水演進損失情況，對洺河渡槽至臨洺關(guān)站分段的流量進行擬合，成果見圖1。

洺河渡槽工程位置樁號為9+341，對應(yīng)流量為7800m3/s，糙率為0.05，推算水位為78.32m，與各洪痕水位點均取得較優(yōu)的擬合效果。其中與洺河渡槽位置調(diào)查洪痕78.36m 相差僅0.04m。

3.2 曼寧公式法

應(yīng)用曼寧公式計算洺河渡槽位置洪峰流量，使用洺河渡槽位置河道斷面，水力梯度采用實測洪痕計算，水力梯度3.9‰。反演計算成果見表1。

3.3 堰流公式法

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL319-2018）開敞式溢流堰泄流能力公式計算，公式如下：

圖1 天然河道水面線法推算洪水位與洪痕點擬合圖

圖2 Mike21 模型洪水演進模擬過程圖

表1 曼寧公式法反演流量成果表

經(jīng)堰流公式計算，洺河渡槽位置的行洪洪峰流量為8080m3/s。

3.4Mike21 數(shù)值模擬模型法

采用Mike21 模型計算，上邊界為洺河渡槽工程上游約1.5km，入流為根據(jù)臨洺關(guān)站實測過程反算；下邊界以臨洺關(guān)站本次實測水位流量過程為下邊界。反算洪水入流過程采用公式如下：

臨洺關(guān)站洪水過程時間為t，洪峰流量q=5780m3/s；洺河渡槽工程位置洪水過程時間為T，擬定的洪峰流量為Q。

則T=q/Q·t。

不同T，對應(yīng)不同的洪水過程。反算的洪水過程輸入模型進行計算，選定演進至臨洺關(guān)斷面能與“7·19”實際洪水過程相吻合的洪水過程，則反算的洪水過程即為所求。經(jīng)Mike21模型模擬，洺河渡槽位置洪峰流量為7674m3/s，演進至臨洺關(guān)站洪峰流量約5780m3/s。演進模擬過程圖見圖2。

3.5 雨洪相關(guān)法推求

根據(jù)實測暴雨數(shù)據(jù)計算的洺河流域最大24h 面雨量為322mm，根據(jù)南水北調(diào)工程設(shè)計階段編制的《洺河水文及水力計算報告》中給出的最大24h 暴雨～洪峰流量相關(guān)關(guān)系，并分析暴雨雨型對洪水的影響，查算此次“7·19”洪水洪峰流量為13000m3/s。

3.6 成果比較及選用

經(jīng)綜合比較，天然河道水面線推算法對于洪痕水位的反演效果最好，洺河渡槽位置“7·19”洪水洪峰流量為7800m3/s，河道糙率為 0.05。

4.總結(jié)

一是多種方法的計算比選合理確定了洺河渡槽工程位置的流量并同時合理確定了河道糙率，對于進一步研究洺河渡槽的防洪安全提供了可靠的依據(jù)，對于保證洺河渡槽防洪安全具有重要意義。

二是在河道糙率和洪峰流量均無法確定的情況下，宜采用多種方法進行對比分析確定成果，且對方法實用性進行分析。如本例中“7·19”洪水為單峰，則對于雙峰峰型確定的暴雨～洪峰流量相關(guān)關(guān)系未予以選用。

三是在此次計算中采用的開敞式溢流堰泄流能力公式無河道糙率參數(shù)，有助于提高分析的客觀性。