河道系統(tǒng)治理設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析

柯帥

(信陽市水利勘測設(shè)計(jì)院，河南 信陽 464000)

0 引言

在河道治理防洪設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算是必不可少的，其結(jié)果為河道斷面尺寸擬定、建筑物布置、岸坡防護(hù)等各項(xiàng)參數(shù)的確定提供依據(jù)，正確與否對(duì)整個(gè)項(xiàng)目影響甚大，重要性不言而喻。不同于水庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí)一個(gè)點(diǎn)的計(jì)算，河道系統(tǒng)治理需要對(duì)一條河從河源至入河口的整條河道進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。由于河道水面線的推求一般采用河道分段恒定非均勻流方法，河道的設(shè)計(jì)流量相應(yīng)地根據(jù)沿流程支流匯入的情況分段給出，匯總各段河道的設(shè)計(jì)流量得到整條河的設(shè)計(jì)流量。設(shè)計(jì)流量的計(jì)算根據(jù)河道所在流域及臨近流域的水文資料，采取不同的計(jì)算方法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性分析，上下游的流量成果要協(xié)調(diào)一致。文章以信陽市白露河系統(tǒng)治理設(shè)計(jì)流量為例，對(duì)其設(shè)計(jì)流量的計(jì)算過程進(jìn)行了梳理，可對(duì)其他河道系統(tǒng)治理起到借鑒作用。

1 概述

1.1 流域概況

白露河位于信陽市境內(nèi)，是淮河右岸一級(jí)支流；發(fā)源于大別山北麓的新縣沙窩鄉(xiāng)小界嶺，流經(jīng)新縣、商城、光山、潢川、固始，至淮濱谷堆鄉(xiāng)吳寨村入淮河；干流全長145 km，流域面積2 238 km2。流域地貌單元依次為山區(qū)、淺山丘陵區(qū)、隴崗沖積平畈，地勢西南部高，東北低。流域北面為淮河干流，南部與長江流域接壤，東、西側(cè)分別與淮河支流史灌河、潢河相鄰。白露河支流眾多，長度≥20 km，流域面積≥100 km2的支流有6條，按從上游往下游的順序分別為小汪河、兩河口河、螞蟻河、紫泥河、春河及期思河。

1.2 水利工程概況

白露河流域內(nèi)有雙輪河大(2)型水閘1座，大石橋、兔子湖中型水庫2座。雙輪河水閘控制流域面積325 km2，無洪水調(diào)蓄功能，僅非汛期期間抬高水位以滿足自流灌溉；大石橋水庫控制流域面積7.40 km2，總庫容1 172萬m3；兔子湖控制流域面積50.80 km2，總庫容1 962萬m3。

1.3 暴雨洪水特性

流域內(nèi)降雨量的年際和年內(nèi)分配很不均勻。一年之內(nèi)，夏季降雨較多，暴雨多發(fā)生在6—8月，以7月份為最多。在年際之間，年降雨量的比值可達(dá)3倍以上，并經(jīng)常出現(xiàn)連旱年和連澇年。產(chǎn)生暴雨的天氣系統(tǒng)以冷鋒、氣旋波和低渦為主。流域內(nèi)洪水由暴雨形成，由于降雨時(shí)空分布不均，且又在山區(qū)向平原急劇過渡地帶，坡降大，流程短，集流快，因此洪水預(yù)見期短，突發(fā)性強(qiáng)，河道宣泄不及，水位抬高。

1.4 測站概況

白露河干流從20世紀(jì)50年代以來先后設(shè)立的有雙輪河、雙柳樹、白雀園、北廟集4個(gè)河道水文站。雙輪河水文站于1952年5月設(shè)置，集水面積350 km2，測驗(yàn)項(xiàng)目有：水位、流量、降雨、蒸發(fā)等項(xiàng)目，觀測至1960年。以后水文站移至下游8.30 km處的雙柳樹鎮(zhèn)，其集水面積497 km2，觀測至1966年。白雀園水文站設(shè)立于1974年，集水面積284 km2，觀測至2003年，經(jīng)審查整編刊印成冊(cè)，具有一定的精度。另調(diào)查了白露河歷史洪水，供設(shè)計(jì)時(shí)使用。根據(jù)白露河已有水文站點(diǎn)資料情況及設(shè)計(jì)洪水批復(fù)情況，采用直接法分別對(duì)白雀園站及北廟集站洪水進(jìn)行計(jì)算，其余河道控制斷面設(shè)計(jì)洪水根據(jù)實(shí)際情況分別選用比擬法、內(nèi)插法、推理公式法確定。

2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析

2.1 白雀園站設(shè)計(jì)洪水

2009年做白露河上雙輪河水閘安全鑒定時(shí)曾計(jì)算過白雀園站設(shè)計(jì)洪水，計(jì)算方法為直接法，洪水系列為1952—2009年，并考慮了1903、1930年歷史洪水。此次仍采用直接法，并將2009年洪水系列延長到2017年。

2.1.1 洪水資料分析處理

白雀園站實(shí)測洪水資料系列為1975—2003年，共計(jì)29 a。為增強(qiáng)系列代表性，提高設(shè)計(jì)洪水計(jì)算精度，插補(bǔ)延長水文系列為1952—2017年。1952—1966年水文系列根據(jù)上下游測站的洪水按流域面積比的0.75次方插補(bǔ)延長。

以雙輪河水文站作為參證測站，其集水面積F=350 km2，位于白雀園站(F=284 km2)下游17.70 km處，有1952—1960年水文資料，1961后水文站移至下游8.30 km處的雙柳樹鎮(zhèn)，其集水面積497 km2，有1961—1966年水文資料，根據(jù)2站址洪水資料插補(bǔ)延長白雀園站系列。按面積比擬法移用于白雀園站時(shí)面積指數(shù)取0.75，水文系列為1952—1966年。

1967—1974年及2004—2017年水文系列利用鄰近流域潑河水文站的洪水特征值相關(guān)關(guān)系插補(bǔ)延長。鄰近流域潑河水庫有較長實(shí)測資料，由《潑河水庫水文復(fù)核報(bào)告》可得潑河水庫實(shí)測洪峰系列為1952—2003年，此次延長至2017年；潑河水庫與白雀園站有1975—2003年的同步觀測資料，通過潑河站與白雀園站洪峰流量的相關(guān)系數(shù)計(jì)算，得相關(guān)系數(shù)為0.90>0.80，兩者線性相關(guān)關(guān)系較好；且通過查閱《河南省水資源》(2007年)可知，潑河水庫與白雀園站年均降雨量基本相等，年徑流量也基本相等，兩者產(chǎn)匯流條件相似，可以潑河水庫洪峰流量系列插補(bǔ)延長白雀園站洪峰流量系列，關(guān)系式為：Q白雀園=1.07Q潑河+30.72。據(jù)此相關(guān)關(guān)系式，由1967—1974年及2004—2017年潑河水庫洪水資料插補(bǔ)延長白雀園站洪水資料。

2.1.2 頻率分析

頻率曲線統(tǒng)計(jì)參數(shù)采用矩法初估，根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水設(shè)計(jì)規(guī)范》SL44-2006規(guī)定，洪峰包括1903年、1930年調(diào)查洪水及1952—2017年實(shí)測洪水的不連序系列，用不連序系列公式計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)。頻率曲線線型采用皮爾遜Ⅲ型曲線，均值采用計(jì)算值，變差系數(shù)Cv和偏態(tài)系數(shù)Cs根據(jù)目估適線選用。白雀園站洪峰頻率適線成果見表1。

表1 白雀園站設(shè)計(jì)洪水成果表

2.1.3 設(shè)計(jì)洪水比較及選用

此次設(shè)計(jì)洪水復(fù)核與2009年雙輪河水閘安全鑒定時(shí)計(jì)算白雀園站設(shè)計(jì)洪水成果比較情況見表2。

表2 白雀園站設(shè)計(jì)洪水歷史成果比較表

此次設(shè)計(jì)，資料系列延長到66 a，符合規(guī)范要求，并且考慮了1903年、1930年的歷史洪水，代表性、合理性較好。與2009年雙輪河水閘安全鑒定時(shí)計(jì)算白雀園站設(shè)計(jì)洪水成果相比，由于系列年限加長，且近年洪水較小，所以均值略有變小，各頻率設(shè)計(jì)洪水減小5.43%。從防洪安全的角度考慮，此次仍采用2009年設(shè)計(jì)洪水成果，見表2。

2.1.4 設(shè)計(jì)洪水成果合理性分析

白雀園站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果與鄰近流域水庫的成果比較見表3。由表3可見，白雀園站與潑河水庫的洪峰模數(shù)相等，比石山口、鲇魚山等的洪峰模數(shù)稍小，這與暴雨中心的分布規(guī)律是一致的。總的來看，此次設(shè)計(jì)洪水成果是合理的，可作為河道整治的設(shè)計(jì)依據(jù)。

表3 白雀園站設(shè)計(jì)洪水與鄰近水庫設(shè)計(jì)洪水成果對(duì)比表

2.2 北廟集站洪水

白露河中下游河段設(shè)計(jì)洪水曾進(jìn)行過計(jì)算，河南省水利廳及淮委在不同時(shí)期對(duì)設(shè)計(jì)洪水成果進(jìn)行了批復(fù)；2016年11月，信陽市水利勘測設(shè)計(jì)院編制完成的《固始縣白露河黃崗至周寨(下)段治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告(報(bào)批本)》對(duì)治理段洪水進(jìn)行了復(fù)核，方法采用淮上法，計(jì)算成果與以往已批復(fù)洪水成果進(jìn)行了比較后仍采用原批復(fù)成果；此次收集了北廟集水文站的洪水系列，采用直接法及比擬法2種方法對(duì)北廟集站設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行了復(fù)核。

2.2.1 洪水系列(直接法)

北廟集站實(shí)測洪水資料系列為1951—2017年，共計(jì)66 a，其中1951—1961年及2003—2017年觀測有水位、流量資料，其余年份僅觀測有水位數(shù)據(jù)，無流量資料，1951—1961年洪水資料由于水文站控制性不好，不予采用。根據(jù)2003—2017年實(shí)測歷年最大水位、流量資料，繪制流量～水位關(guān)系曲線圖，再由1962—2002歷年最大水位查算各年洪峰流量，得北廟集站插補(bǔ)延長后的1962—2017年洪峰流量系列。

2.2.2 頻率分析

頻率曲線統(tǒng)計(jì)參數(shù)采用矩法初估，根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水設(shè)計(jì)規(guī)范》SL44-2006規(guī)定，用連序系列公式計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)。頻率曲線線型采用皮爾遜Ⅲ型曲線，均值采用計(jì)算值，變差系數(shù)Cv和偏態(tài)系數(shù)Cs根據(jù)目估適線選用。北廟集站洪峰頻率適線成果見表4。

表4 北廟集站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表(直接法)

2.2.3 間接法

治理段小河灣斷面處控制流域面積1 996 km2，此次將其淮上法計(jì)算成果按面積比的0.75次方轉(zhuǎn)換為北廟集站洪水，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 北廟集站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表(比擬法)

2.2.4 北廟集站設(shè)計(jì)洪水合理性分析及選用

北廟集站2種計(jì)算方法的結(jié)果與已批復(fù)的成果比較情況見表6。

表6 北廟集站兩種方法計(jì)算成果與批復(fù)成果對(duì)比表

根據(jù)表6可知，直接法計(jì)算成果與2000年批復(fù)成果相比，5 a一遇大9.66%，10 a一遇小8.10%，20 a一遇小20.51%；比擬法計(jì)算成果與2000年批復(fù)成果相比，5 a一遇小3.44%，10 a一遇小10.70%，20 a一遇小19.78%；從工程防洪安全考慮，并保持設(shè)計(jì)洪水成果的一致性，此次北廟集站設(shè)計(jì)洪水仍采用2000年淮委批復(fù)成果，見表7。

表7 北廟集站設(shè)計(jì)洪水采用成果表

2.3 其他控制斷面設(shè)計(jì)洪水

各控制斷面根據(jù)支流匯入及河段擬實(shí)施工程情況，選取了雙輪河閘、春河口上口、分洪道口上口、期思河口上口、紫泥河口上口、螞蟻河口上口、兩河口上口、小汪河口上口、熊河口上口，采用不同的方法計(jì)算其設(shè)計(jì)洪水。

2.3.1 雙輪河閘設(shè)計(jì)洪水

由于雙輪河閘在白雀園站下游不遠(yuǎn)，且兩站控制流域面積相差不大，其設(shè)計(jì)洪水利用白雀園站面積比的0.75次方計(jì)算。

2.3.2 春河口上口設(shè)計(jì)洪水

計(jì)算方法同雙輪河閘，參證站為尤廟控制斷面，計(jì)算出春河口上口3、5、10、20 a各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)洪峰流量。

2.3.3 分洪道口上口、期思河口上口設(shè)計(jì)洪水

以北廟集站、入淮口為控制節(jié)點(diǎn)，做流量～面積的雙對(duì)數(shù)曲線，內(nèi)插分洪道口、期思河口上口處設(shè)計(jì)洪水。

2.3.4 紫泥河口上口、螞蟻河口上口、兩河口上口設(shè)計(jì)洪水

以雙輪河閘、春河口上口為控制節(jié)點(diǎn)，做流量～面積的雙對(duì)數(shù)曲線，內(nèi)插區(qū)間各控制斷面處設(shè)計(jì)洪水。

2.3.5 小汪河口上口、熊河口上口設(shè)計(jì)洪水

量取流域面積、河道長度、河道比降等流域特征值，采用推理公式法計(jì)算，并經(jīng)合理性分析后采用。

2.4 設(shè)計(jì)洪水的匯總

將前述干流各控制斷面設(shè)計(jì)洪水成果匯總見表8。

表8 白露河干流各控制斷面設(shè)計(jì)洪水采用成果表

3 結(jié)論

條件允許時(shí)，盡量采用實(shí)測水文資料計(jì)算設(shè)計(jì)洪水；采用實(shí)測資料進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水分析時(shí)，資料系列的年限應(yīng)>30 a，有條件時(shí)應(yīng)延長至最新年份，經(jīng)分析后合理采用；對(duì)于設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果應(yīng)進(jìn)行合理性分析，可利用本流域或鄰近流域參證站已批復(fù)設(shè)計(jì)洪水成果，經(jīng)充分比較后采用。各控制斷面設(shè)計(jì)洪水上下游應(yīng)保持協(xié)調(diào)，在沒有調(diào)蓄能力大的水利工程時(shí)，一般由上至下逐漸變大，不要出現(xiàn)上大下小的情況。