洪水分析計(jì)算在新河灃西新城段河道劃界確權(quán)中的實(shí)例應(yīng)用

馬 康，王海強(qiáng)

（咸陽水文水資源勘測(cè)中心，陜西 咸陽712000）

西咸新區(qū)新河灃西新城段目前基本為村莊和農(nóng)田，未來規(guī)劃為田園城市，沿岸人口稠密，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)。但該段河道多年來未經(jīng)治理，洪水災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，與現(xiàn)狀全段新河治理工程不能形成完整的防洪體系。為貫徹落實(shí)“河長(zhǎng)制”減少洪水災(zāi)害，加強(qiáng)防洪基礎(chǔ)設(shè)施，促進(jìn)城市建設(shè)，開展河道劃界確權(quán)工作。本次西咸新區(qū)新河灃西新城段劃界確權(quán)工作涉及水文分析計(jì)算主要是計(jì)算河道水面線。

1 概況

新河是渭河右岸一級(jí)支流，發(fā)源于秦嶺北麓淺山區(qū)，自南向北流經(jīng)鄠邑區(qū)于咸陽市秦都區(qū)的釣魚臺(tái)街辦鑿齒村進(jìn)入西咸新區(qū)，經(jīng)曹家莊、王道村，于馬家寨村入渭河。新河主河道長(zhǎng)40 km，流域面積303.8 km2，平均比降8.5‰。新河上游由檀峪河、曲峪河、化羊峪、黃柏峪、鳥桑溝、四岔溝和三岔溝等支流組成，山區(qū)、半山區(qū)面積僅51.4 km2，其余面積為平原地區(qū)。秦嶺山區(qū)大部分地區(qū)被森林覆蓋，植被良好，山區(qū)河谷狹窄，山勢(shì)險(xiǎn)峻，河床比降大，水流湍急；峪口以下為渭河川地，河谷相對(duì)開闊，土地肥沃，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)。

新河上游山區(qū)、半山區(qū)（爐丹村段上游）河道長(zhǎng)12.76 km，流域面積為51.4 km2，河道平均比降67.4‰；中下游平原區(qū)（爐丹村段下游）河道長(zhǎng)27.24 km，流域面積為252.4 km2，河道平均比降1.34‰。

2 設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算

2.1 水文資料的“三性”分析

（1）可靠性分析

澇峪口水文站選用1944年～2018年年最大洪峰流量資料，均為水文年鑒整編成果，測(cè)站測(cè)驗(yàn)河段順直，斷面基本穩(wěn)定，中低水采用流速儀測(cè)流，高水采用均勻浮標(biāo)測(cè)流。經(jīng)查閱幾場(chǎng)大水實(shí)測(cè)流量資料，洪水過程控制完整，中泓浮標(biāo)符合規(guī)范要求，浮標(biāo)系數(shù)采用合理，選用的年最大流量系列資料連續(xù)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

（2）一致性分析

資料一致性是指一個(gè)系列不同時(shí)期的資料成因應(yīng)相同。水文頻率計(jì)算洪水資料必須具有一致性，也就是各年洪水的流域產(chǎn)流、匯流條件應(yīng)保持基本相同。當(dāng)流域內(nèi)修建水庫、跨流域引水、分洪等工程及水文站遷移都會(huì)影響洪水資料的一致性。

澇峪口水文站以上流域內(nèi)未建大中型水利工程，有小型水電站工程一處，對(duì)洪水過程無調(diào)節(jié)，因此人類活動(dòng)對(duì)洪水系列的影響很??；澇峪口水文站斷面雖經(jīng)幾次遷移，但遷移距離較小，流域面積相差未超過5%，且無支流匯入，因此年最大洪峰流量系列具有較好的一致性。

（3）代表性分析

點(diǎn)繪年最大洪峰流量歷時(shí)曲線和差積曲線，分別見圖1和圖2，從圖中可以看出：在75年的系列中有2個(gè)連續(xù)的豐水時(shí)段（分別是1946年～1958年、1978年～1988年），2個(gè)連續(xù)的枯水時(shí)段（1966年～1976年、1992年～1998年），且系列中包含有豐水年組、平水年組和枯水年組以及豐、平、枯水年。隨著系列的增加，系列的均值趨于穩(wěn)定。因此所選用的年最大洪峰流量資料具有較好的代表性。

圖1 澇峪口站年最大洪峰流量歷時(shí)曲線圖

圖2 澇峪口站年最大差積曲線圖

正逆序累加計(jì)算洪峰流量系列的均值，并點(diǎn)繪其過程線見圖3，從圖3可以看出：隨著系列的增長(zhǎng)，均值趨于穩(wěn)定，均值穩(wěn)定在158 m3/s左右，表明洪峰流量系列具有較好的代表性。

圖3 澇峪口站年最大流量累計(jì)均值正逆序系列曲線圖

2.2 歷史洪水調(diào)查

歷史調(diào)查和實(shí)測(cè)特大洪水見表1。

表1 澇峪口水文站歷史調(diào)查和實(shí)測(cè)特大洪水統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)澇峪口水文站1944年～2018年共75年實(shí)測(cè)洪水洪峰流量資料加入1898年調(diào)查洪水，按不連續(xù)系列計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率。頻率計(jì)算時(shí)，將歷史調(diào)查1898年洪水和實(shí)測(cè)系列1957年洪水作為特大值處理。

2.3 頻率計(jì)算

按照《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL 44-2006）推薦的方法，依據(jù)不連續(xù)系列計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率，其計(jì)算公式如下：

a個(gè)特大洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率為：

n-1個(gè)連續(xù)洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率為：

式中：Pm、PM為經(jīng)驗(yàn)頻率；m、M分別為連續(xù)系列、歷史特大值排列序號(hào)；n、N分別代表連續(xù)系列年數(shù)、歷史特大值首項(xiàng)重現(xiàn)期。

式中：Qi、Qj分別代表連續(xù)系列和特大值系列中的樣本；a、n分別代表特大值樣本個(gè)數(shù)和實(shí)測(cè)系列的樣本個(gè)數(shù)。采用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)適線，適線總原則是：盡量使理論頻率曲線通過經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)的中心位置，側(cè)重考慮曲線與上部和中部較可靠的大水點(diǎn)據(jù)吻合。

根據(jù)澇峪口站1944年～2018年75年洪峰流量，加入1898年調(diào)查洪水按不連續(xù)系列進(jìn)行頻率計(jì)算，以矩法初估計(jì)參數(shù)，采用P-Ⅲ型曲線適線，頻率曲線適線結(jié)果見圖4和表2。

圖4 澇峪口水文站洪峰流量頻率曲線圖

表2 澇河澇峪口站年最大洪峰流量頻率計(jì)算成果表

2.4 設(shè)計(jì)洪水成果合理性分析

本次計(jì)算成果與澇河已有規(guī)劃或工程報(bào)告計(jì)算成果比較，見表3。

表3 澇峪口站洪水頻率計(jì)算成果比較表 單位：m3/s

本次計(jì)算設(shè)計(jì)洪水依據(jù)澇河澇峪口水文站從建站到2018年75年資料系列，通過表3可以看出本次計(jì)算成果與《澇河治理規(guī)劃》《澇河環(huán)山路至戶祖路防洪工程》《澇河石井至天橋重點(diǎn)段防洪》《澇河天橋鎮(zhèn)、甘亭鎮(zhèn)段防洪堤防工程初步設(shè)計(jì)》等已有成果接近，計(jì)算所用資料系列長(zhǎng)度相近，計(jì)算成果基本一致，分析認(rèn)為本次計(jì)算成果是合理的。綜合考慮本次計(jì)算成果與省水利廳批復(fù)的《澇河天橋鎮(zhèn)、甘亭鎮(zhèn)段防洪堤防工程初步設(shè)計(jì)》中計(jì)算成果比較接近，因此以水利廳批復(fù)的《澇河天橋鎮(zhèn)、甘亭鎮(zhèn)段防洪堤防工程初步設(shè)計(jì)》中100年、50年、30年、20年和10年一遇洪峰流量成果作為采用成果。

2.5 新河灃西新城段設(shè)計(jì)洪峰流量

鑒于新河流域未設(shè)立水文測(cè)站，也無實(shí)測(cè)水文資料，因此，新河流域設(shè)計(jì)洪水采用3種方法計(jì)算：一是水文比擬法；二是經(jīng)驗(yàn)公式法；三是由暴雨推求設(shè)計(jì)洪水（推理公式法）。

新河流域中下游為平原區(qū)，地勢(shì)平坦且大部分為農(nóng)田，其產(chǎn)流條件較差，再考慮到平原區(qū)的槽蓄作用，新河下游的洪水主要來源于山區(qū)洪水。故本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí)有效產(chǎn)流面積采用上游山區(qū)、半山區(qū)流域面積51.4 km2。

（1）水文比擬法

根據(jù)《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》經(jīng)驗(yàn)公式分區(qū)圖可知，新河流域采用澇峪口站設(shè)計(jì)洪峰流量比擬。

計(jì)算公式為：

式中：Qm設(shè)、Qm參為分別為設(shè)計(jì)站和參證站洪峰流量，m3/s；A設(shè)、A參為分別為設(shè)計(jì)站和參證站集水面積，km2；n為指數(shù)（設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)控制面積差小于5%時(shí)，n取1.0；設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)控制面積差大于5%～7%時(shí)，n取0.67）取0.67。

表4 洪峰流量水文比擬法設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表

（2）經(jīng)驗(yàn)公式法

根據(jù)《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式適用范圍可知，新河洪峰流量計(jì)算可以采用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式。

計(jì)算公式：

式中：QN為重現(xiàn)期為N的設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；KN為重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；F為設(shè)計(jì)流域面積，km3；n為指數(shù)。

公式中的參、指數(shù)KN、n值，從《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》中查得。根據(jù)河道所在位置，其采用值見表5。

經(jīng)計(jì)算，新河干流成果見表6。

表5 地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法相關(guān)參數(shù)表

表6 洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式法設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表

（3）推理公式法

根據(jù)暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水，是缺乏實(shí)測(cè)流量資料的中、小流域計(jì)算設(shè)計(jì)洪水最常用的一種方法。依據(jù)《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》提供的方法和有關(guān)參數(shù)，由設(shè)計(jì)暴雨推求各河段控制斷面及支流的設(shè)計(jì)洪峰流量。

新河峪口以下為平原區(qū)，地勢(shì)平坦且大部分為農(nóng)田，其產(chǎn)流條件較差，再考慮到平原區(qū)的槽蓄作用，故同期下游的洪水主要來源于山區(qū)洪水。本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí)采用上游山區(qū)、半山區(qū)流域面積51.4 km2。暴雨是形成洪水的主要因素，在假定設(shè)計(jì)暴雨與設(shè)計(jì)洪水的頻率相應(yīng)和暴雨全面積籠罩的前提下，分析產(chǎn)流和匯流過程，進(jìn)而推求設(shè)計(jì)洪峰流量。

表7 不同重現(xiàn)期的洪水流量及匯流時(shí)間表

（4）選用方法的合理性分析

水文比擬法采用澇峪口水文站實(shí)測(cè)洪水系列資料，新河灃西新城段以上流域面積與參證站控制流域面積超過±20%，采用《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》方法計(jì)算已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在水資源量計(jì)算，依據(jù)提供的經(jīng)驗(yàn)公式法、暴雨資料推求等方法，考慮到經(jīng)驗(yàn)公式法使用參數(shù)較少，成果精度相對(duì)較低；推理公式法雖然參數(shù)多，但是由于采用《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》時(shí)間過早，現(xiàn)在的流域下墊面及基本情況有所變化，計(jì)算出來數(shù)據(jù)與實(shí)際差異大，因此對(duì)于設(shè)計(jì)洪水采用推理公式法計(jì)算的成果可以根據(jù)實(shí)際情況采用。以上方法計(jì)算出來的數(shù)據(jù)出入較大，采用水文站實(shí)測(cè)資料進(jìn)行比較，控制流域面積的水文站計(jì)算出的支流及相近河流的洪峰流量較為可靠，其結(jié)果是比較接近真實(shí)值，目前采用面積比擬法比較精確。

（5）采用成果

本次設(shè)計(jì)洪水不僅采用多種計(jì)算方法，而且對(duì)不同成果進(jìn)行對(duì)比分析，選用面積比擬法計(jì)算成果最為可靠，可以參考推理法，選取切合實(shí)際的洪水量，因此可以認(rèn)為本次設(shè)計(jì)洪水采用值合理、可靠，可以作為本次河道行洪能力分析計(jì)算的依據(jù)。計(jì)算結(jié)果及本次設(shè)計(jì)采用值見表8。

表8 新河灃西新城段設(shè)計(jì)不同頻率洪水計(jì)算采用成果匯總表

3 設(shè)計(jì)洪水水位計(jì)算

3.1 水面線計(jì)算公式

使用曼寧公式計(jì)算起始斷面水位～流量關(guān)系，得到起始斷面設(shè)計(jì)洪水位，再使用恒定非均勻流方程法推求設(shè)計(jì)水面線。

1）計(jì)算水面線用到的公式如下。

起始斷面水位～流量關(guān)系，采用曼寧公式：

式中：Q為流量；A為斷面面積；n為糙率；R為水力半徑；i為水面比降。

2）本次現(xiàn)狀河道設(shè)計(jì)洪水水面線推求采用工程實(shí)踐中常用的水力學(xué)法推求河道水面曲線。即先根據(jù)河道斷面實(shí)測(cè)成果、比降、糙率等資料確定起始邊界條件，然后用恒定非均勻流公式，由下游至上游逐斷面推算斷面水位。

恒定非均勻流公式，其方程為：

式中：Zu、Zd分別為上、下游斷面水位；Q為斷面流量；Δs為斷面間距；Ku、Kd分別為上、下游斷面流量模數(shù)；α為動(dòng)能修正系數(shù)；ξ為局部水頭損失系數(shù)。

流量模數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：n為斷面處河床糙率；A為斷面面積；R為水力半徑。

3.2 水面線計(jì)算有關(guān)參數(shù)的確定

3.2.1 糙率確定

按照現(xiàn)場(chǎng)查勘河床及灘地組成，參考澇峪口站測(cè)糙率資料和《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》（黃河流域）以及《水力計(jì)算手冊(cè)》，并結(jié)合新河現(xiàn)狀河道基本情況，新河（灃西新城段）兩岸均有堤防的河段糙率取值0.032，無堤防河段主槽內(nèi)糙率取值0.034。

3.2.2 比降確定

根據(jù)實(shí)測(cè)河道縱斷面數(shù)據(jù)確定比降J。其中J值按下式計(jì)算：

式中：Z0、Z1、Z2…Zn為自出口斷面起沿河道各特征點(diǎn)高程，m；L1、L2…Ln為各特征點(diǎn)間的距離，m；L為主河道總長(zhǎng)度，m。

本次新河河段各斷面區(qū)間比降計(jì)算結(jié)果均在2.21‰～6.74‰之間。

3.3 選定水面線標(biāo)準(zhǔn)及成果

（1）防洪標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-2014）、《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013），并結(jié)合《西安灃渭新區(qū)河道綜合治理規(guī)劃》的審查意見，渭河采用重現(xiàn)期為100年的防洪標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)洪峰流量9700 m3/s。新河主要為灃西新城的工業(yè)及居住用地，保護(hù)面積11.25 km2，采用重現(xiàn)期為50年的防洪標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)洪峰流量223 m3/s。

（2）選定水面線成果

本次在新河灃西新城河段共施測(cè)了27條河道橫斷面、1條縱斷面。其中橫斷面編號(hào)從上到下依次為K0+0.000～K12+686.2。因?yàn)樾潞訛栁餍鲁呛佣尾婚L(zhǎng)，選用K12+686.2斷面作為水面線計(jì)算的起始斷面，利用曼寧公式計(jì)算起始斷面水位～流量關(guān)系，得到各斷面設(shè)計(jì)洪水位，并繪制出50年一遇水面線圖，分別見表9和圖5。

表9 新河河段50年洪水水力要素成果表

圖5 新河灃西新城段50年一遇洪水水面線圖

4 結(jié)語

新河灃西新城段堤防存在有堤防段河段和無堤防河段，管理范圍線為堤頂線，保護(hù)范圍線為管理范圍線外10 m。新河上游河段河道相對(duì)較窄，斷面寬度較小，兩岸多為基本農(nóng)田和道路，因此管理范圍線為設(shè)計(jì)洪水位或者陡坎邊線，為灃西西城重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，有條件設(shè)置護(hù)岸地的河段，按照設(shè)計(jì)洪水位以外20 m作為管理范圍線，保護(hù)范圍線為管理范圍線外10 m。

經(jīng)分析計(jì)算確定了各施測(cè)斷面的洪水位，為河道劃界確權(quán)的范圍確定提供準(zhǔn)確數(shù)理依據(jù)。