河道防洪治理工程設(shè)計(jì)斷面水文分析

張 紅

(西寧市湟中區(qū)水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，青海 湟中 811600)

1 流域概況

本文就青海省湟中縣田家寨鎮(zhèn)尕院溝防洪治理工程進(jìn)行河道設(shè)計(jì)斷面水文分析。

尕院溝發(fā)源于湟中縣南部的拉脊山脈“水牙子峽”，河源海拔3500m，尕院溝總長5.6km，河道平均比降80‰，尕院溝末端匯入傻爾加河，本次治理斷面以上流域面積為15.5km2，屬山溪性河流，常年流水。流域內(nèi)土質(zhì)較好，山坡穩(wěn)定，植被覆蓋良好，雨水充足，泥沙含量較少，水流清澈。流域水系圖見下圖。

2 氣象

項(xiàng)目區(qū)屬內(nèi)陸高原大陸性氣候，其主要?dú)夂蛱卣魇牵憾韭L干燥，夏季短促溫和，秋季涼爽多雨，春季干旱多風(fēng)，冰結(jié)期長，農(nóng)耕短促，光照充足，日照時(shí)間長，太陽輻射強(qiáng)，垂直氣候帶變化大。

湟中縣氣象站有多年觀測資料，且觀測項(xiàng)目較全，精度較高，可作為項(xiàng)目依據(jù)站。根據(jù)湟中縣氣象站氣象要素統(tǒng)計(jì)結(jié)果：項(xiàng)目區(qū)年平均氣溫3.8℃，最熱月(7月)平均氣溫11-17℃，極端最高氣溫29.4℃，極端最低氣溫-31.7℃；平均風(fēng)速2.1m/s，最大風(fēng)速20m/s，年降水量523mm，一日最大降水量52.3mm；全年日照時(shí)數(shù)2588.3h；日照百分率為58%；年平均相對濕度64%；年蒸發(fā)量833.3mm(E601蒸發(fā)皿)。

3 水文

尕院溝屬無資料地區(qū)，其干流的小南川流域有王家莊站，該站集水面積370km2，控制河長40.8km，河道平均比降21.7‰，距河口2.1km。觀測項(xiàng)目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)、冰情、岸溫、比降等。王家莊水文站有1959-2010年的實(shí)測水文資料，該水文資料已經(jīng)過青海省水文水資源勘測局的整編和審查，可作為水文分析計(jì)算的依據(jù)。水文站資料情況見表1。

表1 水文站資料情況表

4 洪水

4.1 暴雨洪水特性

湟水流域南有拉脊山，北有大坂山，西有日月山，地勢西高東低。拉脊山東北側(cè)和大通山南側(cè)，由于位置偏北，西風(fēng)帶系統(tǒng)過境頻繁，在盛夏季節(jié)受西南氣流系統(tǒng)影響，水汽較為充沛。同時(shí)由于近地層氣溫較高，常使大氣地層處于不穩(wěn)定狀態(tài)，促使熱力對流的形成，而且地形利于抬升和對鋒面的阻攔作用，以及河西走廊冷空氣沿河谷倒灌等因素的影響，使這拉脊山東北側(cè)和大通山南側(cè)地區(qū)成為湟水流域暴雨頻次最多，強(qiáng)度最大的地區(qū)。

設(shè)計(jì)流域的暴雨一般都發(fā)生在7月-9月，其中7月中旬到8月底更為集中，較大暴雨大部分是傍晚或夜間發(fā)生，暴雨歷時(shí)較短，一般只有幾小時(shí)。暴雨的空間分布很不均勻，暴雨雨區(qū)面積小，強(qiáng)度較大。

設(shè)計(jì)流域的洪水主要由暴雨形成，暴雨和洪水在時(shí)間上具有很好的相應(yīng)性。其較大洪水都發(fā)生在夏汛，由暴雨所形成，發(fā)生時(shí)間大多集中在7月-9月。設(shè)計(jì)流域洪水的地區(qū)分布很不均勻。

4.2 設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

由于治理斷面所在區(qū)域沒有洪水資料，也沒有暴雨資料。根據(jù)《水利水電工程洪水計(jì)算規(guī)范》(SL44-2006)對無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算要求，本次計(jì)算主要采用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法、洪峰模數(shù)法、地區(qū)綜合法和推理公式法，經(jīng)綜合分析后確定治理斷面處的設(shè)計(jì)洪水。

4.2.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

治理斷面所在區(qū)域?qū)儆阡宜习吨Я?，流域?qū)儆冖?水文分區(qū)(湟水谷地腦山帶強(qiáng)侵蝕半干旱區(qū))，計(jì)算治理斷面處不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量成果表 (單位：洪峰流量m3/s)

4.2.2 洪峰流量模數(shù)等值線法

利用《青海省水文手冊》多年平均洪峰流量模數(shù)等值線圖、洪峰流量 Cv 等值線圖和Cs/Cv 分區(qū)圖，查得流域中心多年平均洪峰流量模數(shù)M=0.80，Cv=1.10，Cs/Cv為3.0。計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量的公式：

式中：Qm——不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量(m3/s)；

KP——為設(shè)計(jì)頻率P相應(yīng)的模比系數(shù)；

M——多年平均年最大洪峰流量模數(shù)(m3/s·km2)；

F——流域面積(km2)。

不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果見表3。

表3 洪峰流量模數(shù)推求設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算表

4.2.3 地區(qū)綜合法

利用地區(qū)綜合法計(jì)算不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量，計(jì)算公式：

Q設(shè)=(F設(shè)/F參)nQ參

式中：Q設(shè)——設(shè)計(jì)斷面的洪峰流量(m3/s)；

Q參——參證水文站的洪峰流量(m3/s)；

F設(shè)——設(shè)計(jì)斷面的面積(km2)；

F參——參證水文站的面積(km2)。

2002年7月，黃委會(huì)勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院在進(jìn)行青海省盤道水庫初步設(shè)計(jì)時(shí)，曾對湟水流域支流的設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行過詳細(xì)的分析，湟水流域南岸支流盤道溝的設(shè)計(jì)洪水成果最終采用地區(qū)綜合法計(jì)算的成果，其中面積綜合指數(shù)采用0.60，其設(shè)計(jì)洪水成果也是比較合理的。本次計(jì)算中直接采用其面積綜合指數(shù)。

尕院溝位于小南川王家莊站上游，王家莊站實(shí)測資料系列較長，資料代表性好。因此選用王家莊站作為設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的參證站。王家莊站集水面積370km2，控制河長40.8km，河道平均比降21.7‰，設(shè)計(jì)洪水成果見表4，以王家莊站設(shè)計(jì)洪水成果推算尕院溝斷面設(shè)計(jì)洪峰流量，計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 王家莊站設(shè)計(jì)洪水成果表 (單位：洪峰流量m3/s)

表5 地區(qū)綜合法設(shè)計(jì)洪水成果表 (單位：洪峰流量m3/s)

4.2.4 推理公式法

該流域暴雨主要發(fā)生在6-9月，尤以7-8月最多，該地區(qū)多為突發(fā)性暴雨形成的局部洪水，暴雨歷時(shí)短，籠罩面積小，強(qiáng)度大，匯流時(shí)間短，暴雨形成的洪水破壞力大，其洪水特點(diǎn)為暴漲暴落，峰型尖瘦，歷時(shí)短。因此采用推理公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水可較好的反映當(dāng)?shù)氐谋┯旰樗匦浴?/p>

(1)設(shè)計(jì)暴雨

①點(diǎn)設(shè)計(jì)暴雨量

尕院溝沒有暴雨資料，因此從《青海省水文手冊》年最大10min、30min、1h、6h和24h東部地區(qū)雨量均值和Cv值等值線圖放大圖中查得流域中心的暴雨特征參數(shù)，根據(jù)流域特征和該地區(qū)的暴雨特性，按CS=3.5CV，計(jì)算得不同頻率不同時(shí)段的設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量成果見表6。

②計(jì)算設(shè)計(jì)面雨量

對于防洪斷面集水面積小于30km2的溝道，其面雨量就等于點(diǎn)雨量，無須進(jìn)行點(diǎn)面折算，其點(diǎn)面折算系數(shù)為1.0。尕院溝河道治理工程斷面以上集水面積僅13.38km2，因此不進(jìn)行折算，其點(diǎn)雨量就等于面雨量的初值。根據(jù)第⑸欄各歷時(shí)設(shè)計(jì)面雨量的初值，采用多元回歸求解參數(shù)：分別填入第⑹、⑺、⑻欄，利用暴雨公式，計(jì)算設(shè)計(jì)面雨量，填入第⑼欄。

表6 設(shè)計(jì)面雨量計(jì)算

③時(shí)程分配

該流域?qū)儆跂|部地區(qū)湟水流域腦山區(qū)，采用青海省東部地區(qū)設(shè)計(jì)暴雨時(shí)雨型“模板”進(jìn)行時(shí)雨型分配，分配結(jié)果見表7。

表7 一小時(shí)主雨峰對齊(P=5%)時(shí)程分配表

續(xù)表

④由已知的暴雨公式的三個(gè)參數(shù)， 計(jì)算主雨日的主雨歷時(shí)為4.8h，計(jì)算得主雨面雨量為42.6mm。

(2)設(shè)計(jì)洪水

流域產(chǎn)流計(jì)算包括設(shè)計(jì)洪水凈雨深計(jì)算和凈雨過程計(jì)算兩部分。本次產(chǎn)流計(jì)算采用雙曲正切模型，雙曲正切模型引入了主雨面雨量、主雨歷時(shí)、最大可能損失等反應(yīng)干旱半干旱區(qū)雨強(qiáng)特征與損失變化的量，且概念明確、結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)少。雙曲正切模型的優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，缺陷是不能體現(xiàn)降雨的時(shí)程分布。

雙曲正切模型參數(shù)有三個(gè)，分別為充分風(fēng)干流域的吸水率Sr、飽和流域土壤的導(dǎo)水率Ks、暴雨來臨前流域包氣帶的持水度B0。模型輸入為設(shè)計(jì)頻率下的主雨面雨量及主雨歷時(shí)，輸出為該設(shè)計(jì)頻率下場次洪水的凈雨深。雙曲正切模型公式如下：

Sr=89.20ζ2-62.32ζ+27.15

Ks=15.62ζ2-6.34ζ+1.69

=1.30η+0.81

式中，ζ表示林灌的百分比(小數(shù))，η表示砂巖的百分比(小數(shù))。

①根據(jù)工程所在流域的下墊面條件，該流域?qū)儆冖?水文分區(qū)(湟水谷地腦山帶強(qiáng)侵蝕半干旱區(qū))，根據(jù)手冊公式(7.3.3-7.3.4)、青海省區(qū)域化參數(shù)Sr、Ks一覽表及青東南山地半干旱半濕潤區(qū)土壤持水度值查算表對流域包氣帶的吸收率Sr、流域包氣帶的導(dǎo)水率Ks及主雨日的流域持水度B0進(jìn)行計(jì)算，從而可求得設(shè)計(jì)頻率下場次洪水的凈雨深Rp。

②計(jì)算產(chǎn)流歷時(shí)。將設(shè)計(jì)暴雨三參數(shù)Sp、λ、ns和Rp帶入下式中求解產(chǎn)流歷時(shí)tc。

在普通坐標(biāo)系中繪制f(t)-t關(guān)系曲線，在f(t)軸上截取OR=Rp,過R點(diǎn)做水平線，交f(t)-t曲線于P點(diǎn)，P點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為產(chǎn)流歷時(shí)tc。

④把匯流參數(shù)帶入公式

將S1%、λ、ns等參數(shù)帶入公式

在普通坐標(biāo)系中繪制關(guān)系曲線，兩曲線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為相應(yīng)的匯流歷時(shí)，縱坐標(biāo)為最大洪峰流量。

經(jīng)計(jì)算，尕院溝防洪工程斷面20年一遇洪水流量為14.2m3/s。推理公式法計(jì)算表見表8。

表8 推理公式法計(jì)算表

4.2.5 設(shè)計(jì)洪水成果比較分析

尕院溝防洪工程斷面不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算采用了經(jīng)驗(yàn)公式法、洪峰流量模數(shù)法、地區(qū)綜合法和推理公式法。不同方法計(jì)算成果比較見表9。

表9 各種方法計(jì)算的洪峰流量結(jié)果比較

從上表可以看出，四種計(jì)算方法結(jié)果經(jīng)驗(yàn)公式法最大，其他三種方法成果基本一致。

①經(jīng)驗(yàn)公式法選用王家莊、南川河口、八里橋、董家莊水文站多年平均年最大流量與流域面積建立關(guān)系，選用站流域面積范圍為370-636km2，而項(xiàng)目區(qū)尕院溝流域面積較小(僅為13.38km2)，兩者面積相差較大。另外由于建立公式時(shí)主要考慮年最大流量與流域面積的關(guān)系，未考慮地區(qū)降水均勻程度及流域內(nèi)下墊面等自然地理因素的影響，使用本方法受到一定的局限。

②青海省水文手冊中洪峰流量模數(shù)等值線以調(diào)查洪水資料和流域面積在100-5000km2的測站資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和地區(qū)綜合，較適合于中等流域，對面積在100km2以上的流域使用精度較高。

③地區(qū)綜合法采用下游王家莊站實(shí)測洪水資料，資料可靠、系列較長、代表性好，但尕院溝防洪工程治理斷面位于流域的上游地區(qū)，且流域面積較小，采用王家莊成果計(jì)算時(shí)帶來一定的誤差。

④推理公式法是借助設(shè)計(jì)暴雨推算設(shè)計(jì)洪水，也是目前國內(nèi)水利工程在無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算多采用的方法。推理公式法在計(jì)算時(shí)充分考慮當(dāng)?shù)氐谋┯旰樗匦?，能較真實(shí)地反映小溝道的實(shí)際情況，一般在小流域的適用性較好。

綜上所述，推薦采用推理公式法設(shè)計(jì)洪水成果作為尕院溝防洪工程斷面采用的成果，即尕院溝防洪工程斷面20年一遇洪水流量為14.2m3/s。

5 結(jié)論

通過以上水文分析，依據(jù)計(jì)算所得的洪峰流量成果，根據(jù)行洪寬度，逐一推算每個(gè)斷面處洪水位，從而確定防洪堤高度。