康縣清河流域設(shè)計洪水計算及合理性分析

王樂文

（天水水文水資源勘測局,甘肅 天水 741000）

1 流域概況

銅錢河發(fā)源于康縣豆壩鎮(zhèn)楊李村,主干流西東走向,漸轉(zhuǎn)而南。流經(jīng)豆壩、店子、秧田、銅錢4 個鄉(xiāng)的24 個行政村,于銅錢鄉(xiāng)下游右岸匯入燕子河,全長73 km。干流海拔693 m～1850 m。劃界河段全長73.3 km,集水面積519.5 km2,河段平均比降19.21‰。主河道穿行于牛頭山梁與烏雞溝大山梁之間的高山狹谷中,是燕子河系中最大的補(bǔ)給支流。以三河河、解板河為主要支流,與眾多的橫切山體的小支溝匯集坡面徑流,注入河道,組成徑流補(bǔ)給系統(tǒng)。整個流域呈扇形,流域系數(shù)0.43左右。

該河流域有大面積森林分布,植被分布由下游至上游逐漸減少,平均自然覆蓋率52.89%。河谷狹窄,彎曲多變,走向頻繁轉(zhuǎn)折,有眾多河灣分布。河谷寬度由上游向下游逐漸變窄,無發(fā)育較好的河漫灘。該河流域處于康縣高強(qiáng)度暴雨區(qū),雷雨季節(jié)洪水頻繁,水勢洶洶,水流湍急,河灣眾多,水力資源開發(fā)條件優(yōu)越。

銅錢河屬典型的山溪性河流,處于西秦嶺南側(cè)隴南山中,地質(zhì)構(gòu)造為昆侖秦嶺地槽褶皺地帶,地勢西高東低,流域氣候條件差異較小,無絕對無霜期。氣候溫和,雨量充沛。年平均氣溫12.1℃,7月～9月是雨季,約占全年降水的60%,年平均降水量850 mm。

2 資料及方法

本次水文分析計算依據(jù)清河周邊水文站實測整編資料及相關(guān)成果報告,包括：鐔家壩、康縣水文站實測整編資料,《康縣歷史山洪災(zāi)害調(diào)查資料》[1]《甘肅省水文圖集》[2]《甘肅省暴雨洪水圖集》[3]《甘肅省暴雨特性研究》[4]等。采用方法有水文比擬法、地區(qū)經(jīng)驗公式法、水文圖集法及水科院推理公式法。清河周邊水文站基本信息見表1。

表1 銅錢河周邊水文站、雨量站基本信息表

3 控制斷面布設(shè)分析

控制斷面的布設(shè)考慮干流河口、主要支流匯合口下游的順直河段、水文站控制斷面、攔河建筑物等。優(yōu)先選擇已批復(fù)報告中已有斷面,本次共測得235 處實測斷面,無法搜集的則補(bǔ)測斷面。按照《甘肅省省級河湖管理范圍劃定工作技術(shù)方案》技術(shù)要求,本次干流控制斷面劃分8 處,積水面積見表2。

表2 設(shè)計洪水計算控制斷面統(tǒng)計表

4 徑流量分析計算

清河鄰近岸門口河康縣水文站[5],實測多年平均徑流深為264.5 mm,與清河流域中心多年平均徑流深相比,差距較小。選取康縣站1956 年～2016 年徑流資料,求得其多年平均徑流量0.62 億m3,經(jīng)采用P-Ⅲ型曲線對康縣水文站實測年徑流量適線,用矩法初估參數(shù),CV=0.44,CS/CV取值2.0?？悼h站不同保證率年徑流量見表3,清河流域控制斷面設(shè)計年徑流量見表4。

表3 康縣水文站不同保證率年徑流量表 單位：億m3

表4 銅錢河設(shè)計年徑流量計算表

5 控制斷面設(shè)計洪水計算

5.1 洪峰流量計算方法

5.1.1 非控制斷面設(shè)計洪水

采用面積比擬法,以控制斷面進(jìn)行比擬,在一個控制單元內(nèi)面積變化幅度較小。

5.1.2 水文圖集經(jīng)驗公式法

經(jīng)驗公式法主要是采用《甘肅省水文圖集》中的公式,基本含甘肅省所有的大小河流,針對不同區(qū)域建立洪水計算公式。該方法主要應(yīng)用區(qū)域內(nèi)無水文、降水資料,以及周邊也無任何資料區(qū)域。該方法一般是作為參考,部分水利工程建設(shè)要求不是特別高的情況下使用。

式中：q為洪峰流量模數(shù),m3/（s·km2）；F為集水面積,km2；C為不同頻率洪峰流量模數(shù)對應(yīng)的常數(shù)。

5.1.3 甘肅省小流域洪峰流量經(jīng)驗公式法

式中：Qp為洪峰流量,m3/s；KP為模比系數(shù),由CV=1.8 F0.08,Cs=3.5CV,查P-III型曲線得出；Qm為多年平均最大洪峰流量,m3/s；F為流域面積,km2；H為多年平均時段最大雨量,mm,選取60 min雨量；J為洪道比降,%；L為河道流程長,km；f為流域形狀系數(shù)（小數(shù)）, f=F/L2；K為綜合系數(shù),表示土壤、植被、水流容重及公式中沒有考慮因素的綜合影響,石山林區(qū)及黃土林區(qū)—黃土溝區(qū)過渡帶取值0.14～0.22,黃土溝壑區(qū)0.22～0.27。

5.1.4 水文比擬法

將參證流域的水文資料移置到設(shè)計流域的一種方法[6]。公式如下：

5.2 設(shè)計洪水計算

根據(jù)《甘肅省省級河湖管理范圍劃定工作技術(shù)方案》中的相關(guān)要求,本次采用水文圖集經(jīng)驗公式法、甘肅省小流域洪峰流量經(jīng)驗公式法、水科院推理公式法進(jìn)行設(shè)計洪水計算。具體計算如下：

5.2.1 水文圖集經(jīng)驗公式法

根據(jù)《甘肅省水文圖集》,采用略陽以下嘉陵江右岸支流經(jīng)驗公式,不同頻率1%、2%、5%、10%下的常數(shù)分別為13.3、11.0、8.52、6.57,n值為0.149。據(jù)此計算的控制斷面不同頻率設(shè)計洪峰流量見表5。

表5 經(jīng)驗公式法不同頻率洪峰流量成果表

5.2.2 甘肅省小流域洪峰流量經(jīng)驗公式法

隴南屬于高山峽谷區(qū),植被茂盛,洪水調(diào)蓄作用較強(qiáng),考慮到該流域所具有的特性及相關(guān)監(jiān)測站點(diǎn),公式采用過程中流域面積F、河道比降J、河道流程長L通過量算得到,流域形狀系數(shù)f通過公式計算,采用甘肅省小流域經(jīng)驗公式法計算的控制斷面洪峰流量見表6。

表6 小流域經(jīng)驗公式法同頻率洪峰流量成果表

5.2.3 水科院推理公式法

（1）設(shè)計暴雨

設(shè)計暴雨可采用的資料有《甘肅省暴雨洪水圖集》（1988）、《甘肅省暴雨特性研究》（2004）?？紤]到《甘肅省暴雨特性研究》資料系列至2000年,本次設(shè)計暴雨依據(jù)該成果進(jìn)行計算。

清河流域?qū)匐]南石山林區(qū),用隴南石山林區(qū)產(chǎn)流期平均入滲率f進(jìn)行產(chǎn)流計算,得tc=12 h,Ptc=188.7 mm, f=2.5 mm/h,將產(chǎn)流期各時段降水量減去時段入滲量得凈雨過程,則總的凈雨為156.6 mm。產(chǎn)流前的降雨之和為初損,即I0=7.9 mm,產(chǎn)流期以后的降水全部下滲。

（2）K235 斷面設(shè)計百年一遇洪水計算

采用水科院推理公式法計算設(shè)計洪峰流量,聯(lián)解如下一組方程。便可求得設(shè)計洪峰流量Qp,即Qm,及相應(yīng)的流域匯流時間τ[7]。根據(jù)《甘肅省暴雨洪水圖集》、《甘肅省暴雨特性研究》進(jìn)行參數(shù)選取。水科院推理公式法計算設(shè)計洪峰流量是聯(lián)解如下一組方程。便可求得設(shè)計洪峰流量Qp,即Qm,及相應(yīng)的流域匯流時間τ。

從公式可知,洪峰流量Qm和匯流時間τ互為隱函數(shù),而徑流系數(shù)ψ對于全面匯流和部分匯流公式又不同。

6 結(jié)論

通過對三種方法計算結(jié)果進(jìn)行比較分析,水文圖集經(jīng)驗公式洪峰流量偏大,推理公式法與甘肅省小流域經(jīng)驗公式接近,經(jīng)分析選用推理公式法計算結(jié)果。具體數(shù)值見表7。根據(jù)省防辦組織審查的《康縣歷史洪水調(diào)查報告》,銅錢河洪調(diào)斷面70 年一遇洪峰流量677 m3/s；安樂河洪調(diào)斷面集水面積579 km2,50 年一遇洪峰流量1190 m3/s。本次K235 斷面流域面積控制斷面集水面積519.5 km2,100 年一遇設(shè)計洪峰流量1260 m3/s,50 年一遇設(shè)計洪峰流量1080 m3/s,據(jù)此,采用的洪峰流量成果應(yīng)該是合理的。所以采用推理公式法計算的洪峰流量相對準(zhǔn)確、合理。

表7 推理公式法洪峰流量成果表