微型流域洪峰流量計(jì)算方法探討

吳江濤

（新疆哈密水文勘測(cè)局,新疆 哈密 839000）

1 基本情況

我國地域遼闊,各類水文現(xiàn)象極為復(fù)雜,各類水事突發(fā)事件隨時(shí)可能發(fā)生,特別是長(zhǎng)期干旱的地域,人們?cè)陂L(zhǎng)時(shí)間形成的生活習(xí)慣中突然發(fā)生小范圍（數(shù)平方公里,甚至不足一平方公里）、高強(qiáng)度、短歷時(shí)的暴雨,由暴雨形成的洪水峰高量小,極易造成下游人民生命和財(cái)產(chǎn)的損失,防范難度大,例2005 年8 月發(fā)生在新疆伊吾河南岸的局地暴雨洪水,流域集水面積8.5 km2,洪峰流量54.6 m3/s。導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失非常大。在此,本文以伊吾河流域設(shè)計(jì)洪水為例,對(duì)哈密市無資料地區(qū)中小流域設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算進(jìn)行探討。

1.1 地理位置及防洪范圍概況

新疆伊吾縣城鎮(zhèn)座落在天山北麓東段哈爾里克山北坡,沖積平原的上部,伊吾河峽谷。是伊吾縣政治、經(jīng)濟(jì)、文化的中心,城區(qū)面積4.2 km2,平均海拔1700 m,南部為伊吾河,縱貫縣城西東走向的伊吾河是哈密地區(qū)最大的一條河流,西東走向的縣城鎮(zhèn)北側(cè)緊鄰山坡,常為暴雨洪水困擾[1]。一旦發(fā)生大的暴雨,整個(gè)城鎮(zhèn)都會(huì)遭受嚴(yán)重災(zāi)害。

經(jīng)調(diào)查,響伊吾縣城鎮(zhèn)的防洪區(qū)域主要是豬八戒溝等5個(gè)小區(qū)域集水總面積約3.7 km2,防洪計(jì)算的重點(diǎn)是伊吾縣城鎮(zhèn)北側(cè)山坡東西長(zhǎng)約3 km,南北寬約1.8 km,5 個(gè)小區(qū)域在地形圖和當(dāng)?shù)厝藗冇洃浿谐i八戒溝有地名外,其余都沒有具體名稱,故本次計(jì)算把這些區(qū)域自東往西編號(hào),其中1 號(hào)的集水面積0.50 km2（集水面積在1∶5 萬地形圖中量算）,具體集水面積見表1。伊吾縣縣城北山坡防洪治理工程平面示意圖見圖1。

圖1 伊吾縣縣城北山坡防洪治理工程平面示意圖

表1 伊吾縣縣城鎮(zhèn)北山坡防洪區(qū)域集水面積一覽表

1.2 氣候概況

伊吾縣屬典型的大陸性干旱氣候,縣城鎮(zhèn)屬溫帶干旱區(qū)。距西側(cè)防洪堤約300 m,海拔1730 m,E94°40',N43°15'處有伊吾氣象站,根據(jù)伊吾氣象站1958 年～2010 年實(shí)測(cè)資料表明（始建于1957 年底,至今仍在監(jiān)測(cè)）,伊吾縣氣象站年平均氣溫3.8℃,夏季極端最高氣溫33.2℃,冬季極端最低氣溫-31.8℃,多年平均降水量99.0 mm,一日最大降水量56.0 mm,年平均大風(fēng)日數(shù)37 天（≥8 級(jí)）,年平均蒸發(fā)量2113.1 mm（口徑20 cm蒸發(fā)皿觀測(cè)值）,平均無霜凍期136 天[2]。

2 暴雨成因與特性

伊吾縣城不存在冬季積雪和春季融雪問題,只有夏天的高強(qiáng)度降水才是縣城的主要威脅,2007 年7 月17 日,24 小時(shí)降水56.0 mm,由暴雨造成的洪水至今影響深刻。哈密伊吾縣50 多年的水文氣象觀測(cè)表明,伊吾縣城的洪水均為高強(qiáng)度、全區(qū)域或局部區(qū)域的暴雨所致（因研究區(qū)域集水面積太小,即使局部區(qū)域的暴雨,但對(duì)伊吾縣城而言也可能是全區(qū)域的暴雨）,是在強(qiáng)大的低值天氣系統(tǒng)過境時(shí)所造成的結(jié)果,主要暴雨類型有[3]北支低槽匯合型、巴爾喀什湖低槽東南移型、低渦滯留型。20 世紀(jì)90 年代以來,哈密地區(qū)范圍內(nèi)的淺山地帶和山前沖洪積扇平原區(qū)降水量呈明顯增多的趨勢(shì),暴雨中心位置下移[4],從而引起區(qū)域降水量的一系列變化,淺山區(qū)發(fā)生暴雨洪水的頻率遠(yuǎn)比20 世紀(jì)50 年代～80 年代頻繁,由暴雨洪水造成的災(zāi)害次數(shù)和直接經(jīng)濟(jì)損失明顯增多。

3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的方法與確定

3.1 峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法

根據(jù)哈密市東天山南北坡4 個(gè)具有長(zhǎng)系列洪水資料的參證站,繪制出地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線,見圖2；將研究區(qū)域中4 號(hào)流域調(diào)查的重現(xiàn)期54 年一遇洪水1.06 m3/s,根據(jù)Cv=1.60,CS=4 Cv代入,求得4 號(hào)流域不同頻率的洪峰流量。本次洪水計(jì)算涉及范圍總面積僅3.7 km2,洪水計(jì)算中各小區(qū)域的降水時(shí)間、降水強(qiáng)度、降水歷時(shí)均按4 號(hào)流域計(jì),根據(jù)區(qū)域面積等比例計(jì),不同流域的各設(shè)計(jì)頻率計(jì)算成果見表2。

表2 伊吾縣城鎮(zhèn)擬建防洪堤壩處設(shè)計(jì)洪峰流量成果表 單位：m3/s

圖2 地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線

3.2 洪峰流量參數(shù)移植法

本方法是將相似或類似流域中經(jīng)自治區(qū)相關(guān)部門審核通過并釆用的設(shè)計(jì)洪峰流量的主要水文參數(shù)（離差系數(shù)Cv和變差系數(shù)CS）,將己確定重現(xiàn)期的實(shí)測(cè)值或調(diào)查值替代相應(yīng)頻率的洪峰流量,求得研究區(qū)域不同頻率的洪峰流量。這種計(jì)算方法是否合理待研究。

（1）頭道溝參證站

借用頭道溝參證站歷年實(shí)測(cè)由暴雨產(chǎn)生的洪峰相關(guān)參數(shù)Cv=2.52,CS=2.5Cv,將估算研究區(qū)擬建防洪堤壩的洪峰流量[6],以頭道溝水文站夏洪設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果,將研究區(qū)域54年一遇洪水洪峰流量1.06 m3/s 代入,計(jì)算成果見3。

表3 伊吾縣城鎮(zhèn)北山防洪擬建堤壩處設(shè)計(jì)洪峰流量成果表單位：m3/s

（2）四道白楊溝參證站

研究區(qū)域鄰近的伊吾縣四道白楊溝[4]水文分析計(jì)算的成果,以伊吾縣四道白楊溝水文分析計(jì)算中用地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法計(jì)算結(jié)果,見表4。將研究區(qū)域4 號(hào)區(qū)域54 年一遇的洪峰流量1.06 m3/s 代入,成果見表5。

表4 四道白楊溝擬建水庫壩址處設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

表5 伊吾縣城鎮(zhèn)擬建防洪堤壩處設(shè)計(jì)洪峰流量成果表 單位：m3/s

3.3 洪峰模數(shù)移植法

這種方法主要有三大要點(diǎn):第一,選用的洪峰流量模數(shù)的大小是否合理；第二,選用的洪峰流量模數(shù)代替重現(xiàn)期多少年一遇合適；第三,選用的參證站是否合理。由于研究區(qū)域有實(shí)測(cè)氣象資料以來最大洪峰流量除4 號(hào)流域外其余無法找到,為安全考慮,選用研究區(qū)域鄰近或周邊區(qū)域?qū)嶋H已經(jīng)發(fā)生的較大場(chǎng)次洪水洪峰流量模數(shù),根據(jù)研究區(qū)域的集水面積與洪峰模數(shù)的乘積代替百年一遇的洪峰流量,選用的洪峰模數(shù)合理與否關(guān)系重大,奔著安全其重現(xiàn)期應(yīng)短些,但太短的話必然導(dǎo)致工程投入過大,造成不必要的浪費(fèi)；過長(zhǎng)會(huì)使安全性受損,本次研究區(qū)域的洪峰模數(shù)選用距研究區(qū)域約1 km 的伊吾河南岸,發(fā)生在2005 年8 月8 日的洪峰模數(shù)5.4 m3/（s·km2）,該值也是哈密地區(qū)范圍內(nèi)54 年中的最大值。

（1）頭道溝水文站為參證站

將洪峰模數(shù)5.4 m3/（s·km2）與研究區(qū)域集水面積的乘積代入,用頭道溝參證站的Cv、CS,計(jì)算伊吾縣城鎮(zhèn)北山防洪堤不同頻率的洪峰流量計(jì)算成果見表6。

表6 伊吾縣城鎮(zhèn)北山防洪堤洪峰流量計(jì)算成果見表 單位：m3/s

（2）四道白楊溝水文站為參證站

將洪峰模數(shù)5.4 m3/s.km2與研究區(qū)域集水面積的乘積代入,用四道白楊溝參證站的Cv、CS,計(jì)算伊吾縣城鎮(zhèn)北山防洪堤不同頻率的洪峰流量計(jì)算成果見表7。

表7 伊吾縣城鎮(zhèn)北山防洪堤洪峰流量計(jì)算成果表 單位：m3/s

4 不同計(jì)算方法優(yōu)缺點(diǎn)分析

洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法推求的設(shè)計(jì)洪峰流量選用參證站分布在哈密天山南北坡,洪水系列較長(zhǎng),資料精度可靠,能滿足頻率計(jì)算對(duì)系列長(zhǎng)度的要求,調(diào)查的洪峰流量為研究區(qū)域?qū)嵉卣{(diào)查值,認(rèn)為選用洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法推求的設(shè)計(jì)洪峰流量成果相對(duì)合理,但研究區(qū)域不存在融雪洪水問題,4 個(gè)參證站中有3 個(gè)參證站含融雪洪水,故不宜采用。

在洪峰參數(shù)移植法中參照頭道溝參證站的計(jì)算值較為合理,因?yàn)樵搮⒆C站計(jì)算的原始資料均為夏季實(shí)測(cè)資料,用該站實(shí)測(cè)Cv、CS,以實(shí)測(cè)54 年一遇的1.06 m3/s 與頭道溝參證站的曲線計(jì)算值是否合理有待研究,但相比之下較前者更為合理；用伊吾縣鄰近的四道白楊溝參證站計(jì)算值從理論上也說得過去,其計(jì)算道理與頭道溝參證站的方法相同,不同點(diǎn)是頭道溝參證站為50 多年的實(shí)測(cè)值,四道白楊溝參證站為理論推算值,故也不宜選用。

洪峰模數(shù)移植法類同于最大可能洪水的計(jì)算方法,方法中不確定因素較多,綜合分析認(rèn)為頭道溝地處位置及兩處地貌、地形、產(chǎn)水條件較為相似,本著安全至上等因素,綜合分析后推薦選用頭道溝參證站洪峰模數(shù)移植法推求的不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量成果。用不同方法對(duì)伊吾縣城鎮(zhèn)北山坡設(shè)計(jì)洪峰流量成果見表8,伊吾縣城鎮(zhèn)北山坡設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表見表9。

表8 不同方法推求的伊吾縣城鎮(zhèn)北山坡設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表 單位：m3/s

表9 伊吾縣城鎮(zhèn)北山坡設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表 單位：m3/s

5 結(jié)論

終上所述分析,為保證縣城經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展,最大限度考慮大洪水可能對(duì)文化旅游設(shè)施的破壞,對(duì)縣城居民生產(chǎn)生活的影響,本文建議采用選用頭道溝參證站洪峰模數(shù)移植法推求的不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量成果。根據(jù)以上三種不同方法計(jì)算成果,經(jīng)過綜合分析認(rèn)為：三種方法計(jì)算方法各有千秋,都有一定理論或者實(shí)際經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ),但是各種計(jì)算方法有其他條件限制,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果各不相同。