陜西志丹縣玉皇溝溝頭至寨科峁淤地壩河道設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析

劉文妮，楊冬梅

(陜西省延安志丹縣水土保持工作隊(duì)，陜西 志丹 716000)

江河湖泊具有重要的資源功能和生態(tài)功能，是洪水的通道、水資源的載體、生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。水利工程是實(shí)施防洪排澇、農(nóng)業(yè)灌溉、抗旱、供水、生態(tài)調(diào)節(jié)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。加強(qiáng)河流及水利工程管理與保護(hù)，是“水利工程補(bǔ)短板，水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的重要基礎(chǔ)工作，對于保障防洪、供水、生態(tài)安全，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 河道概況

玉皇溝為杏子河左岸一級支流，發(fā)源于志丹縣田家灣村，流經(jīng)狼岔咀村和老莊溝村，于莊科村處匯入杏子河，位于志丹縣東北側(cè)，西鄰牛家溝，東鄰岔路川，總流域面積為73.1 km2，河流總長度為17.36 km，玉皇溝全流域均在志丹縣境內(nèi)。流域內(nèi)現(xiàn)存一座中型淤地壩和一座大型淤地壩。根據(jù)志丹縣小型水利工程調(diào)查摸底調(diào)查情況和現(xiàn)場勘察，玉皇溝河道兩岸分布著沿河居民的房屋、耕地及3座跨河橋、2座淤地壩。

根據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊》洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式分區(qū)圖可知，玉皇溝全部屬于丘陵溝壑Ⅱ區(qū)。寨科峁淤地壩以上流域位于黃土丘陵溝壑Ⅱ區(qū)，流域面積5.8 km2，主溝道長3.43 km。

2 寨科峁淤地壩以上設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

淤地壩壩址以上設(shè)計(jì)洪水采用推理公式法、綜合參數(shù)法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水[1]。淤地壩存在調(diào)洪攔蓄的作用，下游分段通過流域面積計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量時，應(yīng)該扣除淤地壩壩址以上的流域面積，寨科峁淤地壩存在溢洪道，下游計(jì)算洪峰流量時應(yīng)該加入同頻率最大下泄流量。見表1。

表1 寨科峁淤地壩以上流域范圍

玉皇溝流域無水文站，其設(shè)計(jì)洪水主要用《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊》中介紹的幾種方法分析計(jì)算，最后綜合分析、合理確定。

2.1 推理公式法

(1)設(shè)計(jì)暴雨

1)設(shè)計(jì)暴雨歷時和計(jì)算時段長確定

根據(jù)《水文手冊》推薦的設(shè)計(jì)暴雨歷時和計(jì)算時段與計(jì)算流域面積的關(guān)系表(見表2)，按照計(jì)算流域的集水面積查算設(shè)計(jì)暴雨歷時和計(jì)算時段長。

表2 設(shè)計(jì)暴雨歷時取值表

2)點(diǎn)暴雨量計(jì)算

據(jù)《陜西省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》和《陜西省延安地區(qū)實(shí)用水文手冊》查得寨科峁淤地壩以上流域幾何中心處設(shè)計(jì)與校核頻率最大6 h、3 h、1 h、1/3 h暴雨量雨量均值和變差系數(shù)Cv后，按Cs=3.5Cv查對應(yīng)的不同頻率kp值，按下式計(jì)算流域幾何中心年最大6 h、3 h、1 h、1/3 h歷時設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量。

Hp=kpH

式中：Hp為頻率P不同時段設(shè)計(jì)暴雨量，mm；kp為頻率P對應(yīng)的模比系數(shù)；H為年最大不同時段暴雨量均值，mm。

流域幾何重心年最大各歷時設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量成果見表3。

表3 寨科峁淤地壩以上流域幾何重心年最大各歷時設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量

(2)設(shè)計(jì)面雨量

表4 寨科峁淤地壩以上流域幾何重心年最大各歷時設(shè)計(jì)面雨量

(3)產(chǎn)流計(jì)算

設(shè)計(jì)條件下，土壤前期含水量33 mm，當(dāng)S<100時，入滲率f=1.65S-0.374i0.565，S≥100時，f取3.7 mm/h，潛流雨按10%扣除，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 寨科峁淤地壩以上P=10%產(chǎn)流計(jì)算過程表

(4)匯流計(jì)算

通過查詢《陜西省延安地區(qū)實(shí)用水文手冊》得知推理公式法、和瞬時單位線法的適用范圍見表6。

表6 適用范圍表

寨科峁淤地壩以上流域面積小于200 km2，采用推理公式法。

1)推理公式法

公式采用《陜西省延安地區(qū)實(shí)用水文手冊》(1987年)中：

式中：Qm為設(shè)計(jì)頻率為m的最大洪峰流量，m3/s；H為凈雨深，mm，在全面匯流時代表相應(yīng)于τ時段的最大凈雨，在部分匯流時代表單一洪峰對應(yīng)的面平均凈雨；F為流域面積，km2；τ為流域匯流歷時，h；L為沿主溝道從出口斷面至分水嶺的最長距離，km；m為匯流參數(shù)；J為沿程L的平均比降。0.278為單位換算系數(shù)。

匯流參數(shù)m計(jì)算：項(xiàng)目在黃土丘陵溝壑區(qū)，采用下式計(jì)算。

m=3.52θ0.225hR-0.31

式中：m為匯流參數(shù)；θ1為流域特征參數(shù)；hR為凈雨量，mm；J、L、F為意義同前。

計(jì)算得出P=10%時，m為1.86。

匯流歷時T及洪峰流量Qm推求：查算出匯流參數(shù)m后，假定一系列Qm，計(jì)算并繪制Qm-T曲線，同時計(jì)算凈雨過程并繪制Qm-t曲線，兩條曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的縱坐標(biāo)即為所求的洪峰流量Q，橫坐標(biāo)即為匯流歷時τ。

Qm-T曲線和Qm-t曲線的關(guān)系曲線見圖2。

圖2 寨科峁淤地壩上以上P=10%，Qm-T曲線和Qm-t曲線

由圖查得寨科峁淤地壩以上P=10%設(shè)計(jì)洪峰流量為90 m3/s。

2.2 綜合參數(shù)法

表7 設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨量計(jì)算表

設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算：寨科峁淤地壩以上綜合參數(shù)法設(shè)計(jì)洪峰流量成果見表8。

表8 綜合參數(shù)法設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

2.3 計(jì)算成果

本次計(jì)算玉皇溝寨科峁淤地壩以上洪峰流量，在缺乏實(shí)測資料的情況下，采用經(jīng)驗(yàn)公式(洪峰流量匯水面積相關(guān)法和綜合參數(shù)法)和推理公式法。推理公式法計(jì)算過程考慮到流域的長度、面積、比降等因子對洪水的影響，能夠較為準(zhǔn)確地反應(yīng)流域中的洪峰流量；經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算成果選用參數(shù)固定、單一，具有一定的局限性，但其以小流域內(nèi)設(shè)計(jì)暴雨量和流域特征參數(shù)為基礎(chǔ)，對于無資料地區(qū)的洪水計(jì)算有著重要的意義，綜合考慮采用綜合參數(shù)法。計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 寨科峁淤地壩以上洪峰流量計(jì)算成果表

3 結(jié)語

為科學(xué)合理開發(fā)利用玉皇溝河道洪水資源，保證水資源的可持續(xù)利用，充分發(fā)揮洪水資源經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益，參考水利工程通常采用“多種方法、綜合分析、合理選定”的原則，采用推理公式、經(jīng)驗(yàn)公式(洪峰流量匯水面積相關(guān)法和綜合參數(shù)法)對玉皇溝寨科峁淤地壩以上洪峰流量進(jìn)行計(jì)算。通過分析，綜合參數(shù)計(jì)算方法以小流域內(nèi)設(shè)計(jì)暴雨量和流域特征參數(shù)為基礎(chǔ)，對于無資料地區(qū)的洪水計(jì)算有著重要的意義，綜合考慮，玉皇溝寨科峁淤地壩以上洪峰流量采用綜合參數(shù)計(jì)算結(jié)果70.1 m3/s。