基于推理公式法的小流域洪水設(shè)計(jì)分析

孟 宇

（遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000）

在現(xiàn)有暴雨設(shè)計(jì)方法上，研究者通常認(rèn)為研究區(qū)面積較小，降雨的空間分布比較均勻，可不考慮城市設(shè)計(jì)暴雨的空間變異性，然而在整個(gè)城市的區(qū)域尺度上，由于城市小氣候影響及城市高層建筑物的物理阻擋作用，加之氣候變化對(duì)城市地區(qū)降雨的疊加影響，城市降雨的空間變異性已非常顯著[1]。因此，在洪水設(shè)計(jì)時(shí)，考慮時(shí)空差異有助于準(zhǔn)確地把握暴雨時(shí)域關(guān)系，保障防洪工程的順利實(shí)施。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)理論研究、公式推導(dǎo)等方法來(lái)對(duì)洪水進(jìn)行設(shè)計(jì)分析[2-7]。本文以彰武縣鷂鸚河流域?yàn)槔紤]流域的時(shí)空分布特性，深入分析了防災(zāi)對(duì)象所在小流域以及防災(zāi)對(duì)象上游河段的暴雨特性、小流域特征，研究了歷史山洪災(zāi)害情況，以小流域?yàn)閱卧侠磉x擇適用于當(dāng)?shù)氐脑O(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法和水文模型等分析計(jì)算方法，分析小流域洪水規(guī)律，并驗(yàn)證了小流域設(shè)計(jì)暴雨的合理性。

1 氣象與水文概況

鷂鸚河屬于遼寧省阜新市境內(nèi)繞陽(yáng)河分支，流經(jīng)阜新市阜蒙縣平安地鎮(zhèn)、塔營(yíng)子鎮(zhèn)、建設(shè)鎮(zhèn)，彰武縣哈爾套鎮(zhèn)、四堡子鎮(zhèn)。該區(qū)域?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)大陸性氣候，年最大24 h 降水量為70～80 mm，年最大24 h降水量Cv值在0.60～0.62。鷂鸚河長(zhǎng)度為29.34 km，流域面積為110.63 km2，河流形狀系數(shù)為0.128，平均寬度為3.77 km，河流彎曲系數(shù)為1.713，主河道比降為3.5‰。

根據(jù)《遼寧省中小河流（無(wú)資料地區(qū)）設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》（1998 年版），得知鷂鸚河小流域水文分區(qū)為V1 區(qū)，匯流參數(shù)x=0.57，y=0.65。鷂鸚河不同降雨時(shí)間各水文指標(biāo)關(guān)系，詳見(jiàn)表1。

表1 鷂鸚河不同降雨時(shí)間下各水文指標(biāo)

彰武縣山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)對(duì)象名錄，詳見(jiàn)表2。

表2 彰武縣山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)對(duì)象名錄

2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

2.1 河道設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

采用典型頻率洪水計(jì)算中的推理公式法，計(jì)算公式為：

式中：QP為設(shè)計(jì)洪峰流量（m3/s）；ψp為洪峰徑流系數(shù)；ip為面暴雨強(qiáng)度（mm/h）；F為流域集水面積（km2）。

設(shè)計(jì)頻率包括5、10、20、50、100 a 一遇5 種；設(shè)計(jì)時(shí)暴雨與洪水同頻率發(fā)生，即設(shè)計(jì)洪水頻率等同于設(shè)計(jì)暴雨頻率。本文考慮到有些防災(zāi)對(duì)象處于河流源頭附近，控制斷面上游流域面積較?。ㄐ∮?0 km2甚至不足5 km2）、河長(zhǎng)較短、河道比降較大，以致匯流時(shí)間很短，不足1 h，有些不足0.5 h，與實(shí)際不符，因此采用流域附近的雨量站歷史觀測(cè)資料進(jìn)行頻率計(jì)算，以頻率計(jì)算出的1 h 典型頻率降雨量與采用《遼寧省中小河流（無(wú)資料地區(qū)）設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》計(jì)算出的同頻率設(shè)計(jì)面暴雨強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)《遼寧省中小河流（無(wú)資料地區(qū)）設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》計(jì)算結(jié)果大于實(shí)測(cè)雨量資料頻率計(jì)算結(jié)果時(shí)，采用實(shí)測(cè)雨量資料頻率計(jì)算結(jié)果。彰武縣鷂鸚河雨量代表站1 h 典型頻率降雨量，詳見(jiàn)表3。

表3 鷂鸚河雨量代表站1 h典型頻率降雨量

鷂鸚河的東大窩堡典型頻率設(shè)計(jì)面暴雨強(qiáng)度、實(shí)測(cè)1 h 雨量對(duì)比，詳見(jiàn)表4。彰武縣3 個(gè)小流域的14 個(gè)防災(zāi)對(duì)象均按照此方法進(jìn)行分析后計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。

表4 鷂鸚河的東大窩堡典型頻率設(shè)計(jì)面暴雨強(qiáng)度、實(shí)測(cè)1 h雨量對(duì)比 mm

2.2 水位流量關(guān)系推算

彰武縣各流域防災(zāi)對(duì)象控制斷面水位流量關(guān)系計(jì)算采用曼寧公式，計(jì)算公式為：

式中：Q為流量（m3/s）；n為糙率；J為比降；A為斷面過(guò)水面積（m2）；R為水力半徑（m）。

其中，水力半徑通過(guò)不同水位級(jí)過(guò)水面積及濕周確定，計(jì)算公式為：

式中：P為濕周（m）；其余變量含義同上。

根據(jù)曼寧公式確定各個(gè)防災(zāi)對(duì)象控制斷面的水位流量關(guān)系曲線，并采用平均流速外包線分析法對(duì)水位流量關(guān)系的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。繞陽(yáng)河韓家杖子水文站位于繞陽(yáng)河上游，流域特征與本次分析評(píng)價(jià)的小流域特征相近，因此選擇該站作為代表站做平均流速外包線。首先收集了韓家杖子水文站1985—2013年平均水深與平均流速資料，建立平均水深-平均流速相關(guān)關(guān)系，并做點(diǎn)群外包線，如圖1所示。

圖1 韓家杖子水文站平均水深-平均流速關(guān)系曲線

彰武縣部分小流域防災(zāi)對(duì)象控制斷面水位流量關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 彰武縣部分小流域防災(zāi)對(duì)象控制斷面水位流量關(guān)系曲線

3 設(shè)計(jì)洪水合理性分析

彰武縣各流域（水文、水庫(kù)站）典型頻率設(shè)計(jì)（實(shí)測(cè)）洪峰流量與流域面積，詳見(jiàn)表5。

由表5 可知，本次推理公式計(jì)算出的典型頻率設(shè)計(jì)洪水與實(shí)測(cè)資料頻率計(jì)算結(jié)果十分相似，證明推理公式計(jì)算的設(shè)計(jì)洪峰流量合理。設(shè)計(jì)洪峰流量除了與降雨相關(guān)外，還與河長(zhǎng)、河道比降、流域面積等流域特性有關(guān)，對(duì)于同一場(chǎng)次降雨，山區(qū)性河流的流量通常是從上游到下游逐漸增大。因此，在對(duì)彰武縣3 個(gè)小流域進(jìn)行Qm-F相關(guān)關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，又對(duì)每個(gè)小流域的各個(gè)防災(zāi)對(duì)象控制斷面設(shè)計(jì)洪峰流量進(jìn)行了上下游流量相關(guān)分析。以鷂鸚河小流域?yàn)槔?，共分析評(píng)價(jià)了8個(gè)防災(zāi)對(duì)象，各防災(zāi)對(duì)象控制斷面位置如圖3所示。

表5 彰武縣各流域（水文、水庫(kù)站）典型頻率設(shè)計(jì)（實(shí)測(cè)）洪峰流量與流域面積

圖3 彰武縣鷂鸚河流域控制斷面布設(shè)

各防災(zāi)對(duì)象的河長(zhǎng)、河道比降、流域面積、設(shè)計(jì)洪峰流量，詳見(jiàn)表6。

由表6 可以看出，從上游到下游的河長(zhǎng)逐漸增大、流域面積逐漸增大，計(jì)算出的同頻率設(shè)計(jì)洪水逐漸增大。因此，可以判定鷂鸚河流域各防災(zāi)對(duì)象控制斷面的設(shè)計(jì)洪水演進(jìn)趨勢(shì)合理。在此基礎(chǔ)上，對(duì)彰武縣3 個(gè)小流域14 個(gè)防災(zāi)對(duì)象的設(shè)計(jì)洪水均進(jìn)行了上述洪水演進(jìn)趨勢(shì)的分析，并判定其合理性。

表6 彰武縣鷂鸚河流域各防災(zāi)對(duì)象設(shè)計(jì)洪峰流量對(duì)照

4 結(jié)論

本文以彰武縣鷂鸚河流域?yàn)槔?，考慮流域的時(shí)空分布特性，采用推理公式法對(duì)彰武縣鷂鸚河流域以及相關(guān)受災(zāi)對(duì)象的河道設(shè)計(jì)洪水、水位流量關(guān)系、小流域洪水規(guī)律進(jìn)行了分析，最后通過(guò)流域面積-洪峰流量圖驗(yàn)證了整個(gè)洪水設(shè)計(jì)過(guò)程的合理性。結(jié)果表明，洪峰流量除了與降雨相關(guān)外，還與河長(zhǎng)、河道比降、流域面積等流域特性有關(guān)，對(duì)于同一場(chǎng)次降雨，山區(qū)性河流的流量通常是從上游到下游逐漸增大。在基于推理公式法對(duì)鷂鸚河流域各防災(zāi)對(duì)象控制斷面的設(shè)計(jì)洪水演進(jìn)趨勢(shì)合理性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)彰武縣3 個(gè)小流域14 個(gè)防災(zāi)對(duì)象的設(shè)計(jì)洪水均進(jìn)行了上述洪水演進(jìn)趨勢(shì)的分析，并判定其合理性。