長(zhǎng)豐河成縣城區(qū)段設(shè)計(jì)洪水計(jì)算及合理性分析

肖玲芳

(甘肅隴南水文水資源勘測(cè)局，甘肅 成縣 742500)

1 區(qū)域概況

長(zhǎng)豐河[1]是嘉陵江一級(jí)支流，長(zhǎng)江的二級(jí)支流，河流全長(zhǎng)150.5 km，全流域面積1 800 km2。長(zhǎng)豐河80%以上流域面積在甘肅境內(nèi)，處于徽成盆地成縣境內(nèi)，流域內(nèi)洪水相對(duì)穩(wěn)定，主要集中在6-9月，成縣城區(qū)以上被稱為青泥河，當(dāng)較大支流南河匯入后，稱長(zhǎng)豐河，干流設(shè)有成縣水文站，南河設(shè)有南河橋水文站，但資料系列相對(duì)較短。長(zhǎng)豐河成縣城區(qū)段河流比降較小，河道灘地多景觀植物，發(fā)生洪水時(shí)，糙率相對(duì)較大。

2 資料及方法

成縣水文站建站較早，具有近60 a實(shí)測(cè)洪峰流量和多年洪水調(diào)查資料，洪水資料為組成不連續(xù)序列樣本資料，采用南河橋水文站實(shí)測(cè)資料及洪水調(diào)查資料[2]，該站系列資料較短，在設(shè)計(jì)洪峰流量及洪水過程時(shí)采用面積比擬法、合成法，利用P-Ⅲ型分布作為理論頻率曲線進(jìn)行頻率計(jì)算。

3 設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

3.1 成縣站設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

將成縣站的多年實(shí)測(cè)的最大洪峰流量極值挑選出來，按照從小到大的順序排列起來，根據(jù)下述的經(jīng)驗(yàn)公式，估算出該站洪峰流量頻率，根據(jù)頻率計(jì)算重現(xiàn)期[3]。

(1)

當(dāng)需要對(duì)洪峰流量特大值進(jìn)行處理時(shí)，可按照下列經(jīng)驗(yàn)公式處理，從而估算出經(jīng)驗(yàn)頻率。

(2)

式中：N為樣本總長(zhǎng)度；n為實(shí)測(cè)系列長(zhǎng)度；a為特大洪水總數(shù)；Mi為第i個(gè)特大洪水排序號(hào)，m為第i個(gè)實(shí)測(cè)洪水排序號(hào)。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：φp可由P和Cs查P-Ⅲ型分布中φ值表得到。

依據(jù)上述原理，利用頻率計(jì)算程序，計(jì)算求得成縣水文站洪峰流量均值為320 m3/s，

Cv=1.40,Cs/Cv=3.0，50年一遇設(shè)計(jì)頻率對(duì)應(yīng)的洪峰流量為1 790 m3/s。成縣站不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算見表1。

表1 成縣站不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量

3.2 面積比擬法推求設(shè)計(jì)洪峰流量(方法一)

長(zhǎng)豐河成縣長(zhǎng)豐河城區(qū)段集水面積為1 101 km2，占成縣水文站集水面積(1 502 km2)的73.3%?？梢杂妹娣e比擬法[4]把成縣水文站的設(shè)計(jì)洪峰流量折算為長(zhǎng)豐河城區(qū)段的設(shè)計(jì)洪峰流量，用參證站的設(shè)計(jì)洪峰流量推求設(shè)計(jì)站的洪峰流量的面積比擬法公式如下：

(7)

式中：Q參、Q設(shè)為參證站、設(shè)計(jì)站的洪峰流量(m3/s)；F參、F設(shè)為參證站、設(shè)計(jì)站的流城面積(km2)。用面積比擬法推求的長(zhǎng)豐河城區(qū)段設(shè)計(jì)洪峰流量成果見表2。

表2 長(zhǎng)豐河城區(qū)段不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量表

3.3 合成法推求設(shè)計(jì)洪峰流量(方法二)

長(zhǎng)豐河成縣城區(qū)段以下3 km處為成縣水文站，中間有較大支流南河匯入。南河橋以上流域面積為375 km2，與長(zhǎng)豐河城區(qū)段集水面積1 101 km2之和占長(zhǎng)豐河成縣站流域面積的98.3%，因此，可以認(rèn)為成縣站的洪水就是由長(zhǎng)豐河上游與南河的洪水合成而來。南河在1985-1990年期間設(shè)有南河橋水文站，有6年的實(shí)測(cè)南河洪峰流量資料，另外還有19 a的年最大洪水調(diào)查資料，最大流量資料系列25 a。因而可以用降雨徑流資料或南河與長(zhǎng)豐河成縣站的資料插補(bǔ)延長(zhǎng)南河的洪峰流量資料，進(jìn)而對(duì)南河的洪峰流量進(jìn)行頻率計(jì)算，然后用成縣站和南河橋站的設(shè)計(jì)洪峰流量相減得到成縣城區(qū)的相應(yīng)設(shè)計(jì)洪峰流量資料。

由于雨量站觀測(cè)段次的原因，建立的降雨徑流相關(guān)關(guān)系較差，不宜用來插補(bǔ)延長(zhǎng)南河的洪峰流量資料。而長(zhǎng)豐河成縣站與南河南河橋站的洪峰流量資料相關(guān)關(guān)系較好[5]，可以用來插補(bǔ)延長(zhǎng)南河橋站的洪峰流量資料。用插補(bǔ)延長(zhǎng)后的南河橋洪峰流量系列資料進(jìn)行頻率計(jì)算，計(jì)算參數(shù)為:均值132 m3/s，Cv=1.40，Cs/Cv=3.0。南河橋水文站設(shè)計(jì)洪峰流量以及推求出的城區(qū)段設(shè)計(jì)洪峰流量成果見表3。

表3 城區(qū)段設(shè)計(jì)洪峰流量成果(合成法) m3·s-1

4 確定洪峰設(shè)計(jì)流量

從面積比擬法與合成法得出的長(zhǎng)豐河城區(qū)段洪峰設(shè)計(jì)流量結(jié)果來看，合成法的結(jié)果明顯偏小。由于南河橋水文站實(shí)測(cè)資料只有6 a，洪水調(diào)查資料有19 a，而且較大洪峰流量點(diǎn)據(jù)較少，其余26 a洪峰資料全部為插補(bǔ)值，可靠性一般，因而頻率計(jì)算結(jié)果只能作為參考。另外再考慮到安全因素，選擇面積比擬法的計(jì)算成果作為城區(qū)段洪峰設(shè)計(jì)流量的采用結(jié)果。根據(jù)該成果，成縣長(zhǎng)豐河城區(qū)段50 a一遇的洪峰流量為1 490 m3/s,100年一遇的洪峰流量為1 910 m3/s。

5 設(shè)計(jì)洪水過程

選取成縣站1984年8月3日實(shí)測(cè)最大洪水(洪峰流量為1 210 m3/s)過程，作為成縣城區(qū)段典型洪水過程線，采用同頻率放大法推求50年一遇的設(shè)計(jì)洪水過程[6]。

5.1 設(shè)計(jì)洪量的計(jì)算

經(jīng)過對(duì)成縣水文站實(shí)測(cè)的1日、3日和7日最大洪量進(jìn)行頻率分析算，得出不同保證率的洪量數(shù)值。再用面積比擬法，推求出成縣長(zhǎng)豐河城區(qū)段1日、3日和7日最大洪量不同保證率的洪量數(shù)值。

采用面積比擬法進(jìn)行設(shè)計(jì)河段洪量計(jì)算，公式如下：

(8)

一般河流n值為0.7～1.0。計(jì)算時(shí)，面積比的冪次方n值取經(jīng)驗(yàn)值0.9。

5.2 典型洪水過程線

經(jīng)過對(duì)成縣水文站實(shí)測(cè)資料分析，1984年8月2日2:00-8月9日2:00的洪水過程具有峰高量大、洪水歷時(shí)較長(zhǎng)的特點(diǎn)，而且是對(duì)工程建設(shè)偏于不利的復(fù)式峰型，因此選作長(zhǎng)豐河城區(qū)段典型洪水過程[7-8]。其洪峰流量及各時(shí)段洪量[9]見表4。

表4 洪峰流量及各時(shí)段洪量

5.3 設(shè)計(jì)洪水過程

在設(shè)計(jì)洪水過程計(jì)算中，本次采用同頻率放大法[6]，由于該城區(qū)河段設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)以下公式計(jì)算：

圖1 設(shè)計(jì)洪水過程與典型年洪水過程線圖

5.4 設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算

根據(jù)1964-1967年、1972-1974年、1983-1985年成縣水文站實(shí)測(cè)糙率及比降資料進(jìn)行分析，成縣站流量與糙率、流量與比降關(guān)系都比較散亂，但存在一定的數(shù)值取值范圍。不同流量對(duì)應(yīng)的河床糙率在0.020～0.070之間，水面比降值在5.0/10 000～40/10 000之間。分析上游東河城區(qū)段至成縣水文站區(qū)間河段的河床組成和平均坡降，以及成縣水文站的實(shí)測(cè)資料，并考慮到該項(xiàng)目工程建成后的河道狀況，即考慮河堤內(nèi)側(cè)覆土處理、河道內(nèi)修筑溢水壩、兩岸河堤內(nèi)種植樹木、修建景觀節(jié)點(diǎn)以及河道中間營(yíng)造濕地公園等工程措施對(duì)糙率和水面比降的影響，分不同水位級(jí)估算了長(zhǎng)豐河城區(qū)段三座大橋附近處的糙率和河道水面比降。成果表見表5。

表5 長(zhǎng)豐河城區(qū)段三座大橋斷面不同頻率設(shè)計(jì)水位成果表 m3·s-1

6 成果合理性分析

6.1 水位與糙率、比降關(guān)系合理性分析

成縣站不同水位級(jí)河床糙率在0.020～0.100之間，高水位時(shí)，糙率主要在0.035～0.045之間，考慮到該工程建成后，低水有較多硬性建筑物，且河道要彎曲，這些都會(huì)增加河床糙率，因此中高水位糙率取0.040～0.045之間，在中低水位最大取至0.070。查《甘肅省天然河道糙率表》，河床糙率選用是合理的。

在實(shí)測(cè)水面比降資料中，水面比降值在5.0/10 000～45/10 000之間。長(zhǎng)豐河城區(qū)段計(jì)算設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，水面比降值在10/10 000～40/10 000之間，與該河段實(shí)測(cè)的河段縱比降數(shù)值接近。再考慮到河道水面附加比降的影響，水面比降選用基本合理。

6.2 洪峰流量成果合理性分析

6.2.1 與鄰近流域資料對(duì)比分析

本次對(duì)比分析，采用西漢水流域鐔家壩站與長(zhǎng)豐河成縣站設(shè)計(jì)洪水成果對(duì)比，結(jié)果見表6，以實(shí)測(cè)系列進(jìn)行頻率分析，成縣站Cv值1.4,大于鐔家壩站Cv值1.2。符合流域越小，Cv值越大的普遍規(guī)律

表6 相鄰流域設(shè)計(jì)洪水成果對(duì)照

6.2.2 與《甘肅省水文圖集》中成果相比較

本次分析計(jì)算P=1%及P=2%設(shè)計(jì)洪水洪峰流量成果，與《甘肅省水文圖集》中設(shè)計(jì)洪水成果均比較接近，詳見表6。本次計(jì)算成果比《甘肅省水文圖集》中成果略小，主要是兩次分析使用實(shí)測(cè)資料系列長(zhǎng)短不一所致。經(jīng)過以上分析，本次設(shè)計(jì)洪水成果合理、可靠，可作為該河道工程建設(shè)設(shè)計(jì)依據(jù)。

表7 成縣站設(shè)計(jì)洪水成果對(duì)照

6.2.3 水位-流量關(guān)系合理性分析

繪制了本次設(shè)計(jì)水位流量關(guān)系曲線，線型趨勢(shì)合理，水位流量關(guān)系線可靠，由設(shè)計(jì)流量推求的設(shè)計(jì)水位時(shí)合理的。

7 結(jié)語

通過上面的計(jì)算，在計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量及洪水過程時(shí)，面積比擬法計(jì)算的結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，而合成法計(jì)算的結(jié)果偏小，主要原因是南河橋水文站資料系列太短，通過合理性檢查，本次計(jì)算的洪峰流量、洪水過程、水位過程合理、可靠，滿足該項(xiàng)目建設(shè)的需要，但是在項(xiàng)目建設(shè)中，應(yīng)根據(jù)河流實(shí)際情況，及時(shí)修訂該成果，保證項(xiàng)目建成后的防洪安全。