小流域水文水動力洪水預(yù)報研究

唐宇飛 曾雪彤

（中規(guī)院（北京）規(guī)劃設(shè)計有限公司，北京 100044）

0 引言

晉中市地處于太行山脈以西，其地形為東北、東南高，西南部低，由山區(qū)到平川呈階梯狀下降，在地貌上，山、丘、川等各類地形齊備，過渡明顯。境內(nèi)大小河流12條，其中與城區(qū)北部防洪密切相關(guān)的河流為澗河，與南部防洪密切相關(guān)的河流為瀟河。晉中城區(qū)及瀟河、澗河等主要河流流域受大陸低壓影響，暴雨洪水時空分布不均勻，同時受地形影響顯著，局地發(fā)生暴雨頻繁，且多受山區(qū)來水影響，降雨產(chǎn)流迅速、水流匯集快、河道流速大［1-2］。因此，為保障城區(qū)區(qū)域流域水安全，根據(jù)晉中市建成區(qū)北部水系分布、水庫、自然低洼區(qū)域布置情況，以調(diào)蓄空間為緩洪節(jié)點，對天然洪水?dāng)嗝孢M(jìn)行拆分，劃分多個匯水區(qū)域，通過構(gòu)建區(qū)域洪水匯集-空間分級分散蓄滯-末端排放的系統(tǒng)，實現(xiàn)北部流域區(qū)域的蓄排平衡，保障城市建成區(qū)區(qū)域流域的防洪安全，為海綿城市建設(shè)提供理論依據(jù)。其中，田家灣水庫上游對實現(xiàn)建成區(qū)北部流域系統(tǒng)的蓄排平衡起到重要作用。

田家灣水庫位于晉中市榆次區(qū)，其控制流域面積約為97 km2，在該流域中，灰?guī)r區(qū)域約占13.4%，砂頁巖區(qū)域約35%，黃土丘陵區(qū)域約51.5%［3］。水庫控制流域為典型的大陸型半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，冬春季節(jié)氣溫低，降水稀少，夏秋季節(jié)氣溫偏高，降水豐富且旱澇災(zāi)害頻發(fā)，年氣溫均值為11.2℃，年降水量均值為399 mm。根據(jù)統(tǒng)計資料，7—9 月為汛期，汛期降水量在全年降水總量中占比在70%及以上，蒸發(fā)較大，年蒸發(fā)量均值為2 112.5 mm，年風(fēng)速均值為1.6 m/s，冬春季節(jié)最大風(fēng)速可達(dá)25.8 m/s［4］。

由于該流域資料少、面積小且地形情況比較復(fù)雜，在不同降雨情景下對整體流域洪水預(yù)報進(jìn)行針對性分析是非常有必要的。本研究以晉中市田家灣流域為研究區(qū)，基于水文分析與水動力模擬建立小流域暴雨洪水框架，重點對田家灣水庫所在上游流域進(jìn)行水文計算和二維水動力模擬，探究不同降雨條件下的流域洪水情況，探討小流域長短歷時暴雨產(chǎn)匯流及洪水預(yù)報的可能性。

1 水文水動力計算

1.1 水文計算

田家灣水庫上游控制流域范圍小于100 km2，屬于小流域，故無水文測站，因此在水文計算中采用長歷時設(shè)計暴雨推求流域匯集洪水情況。本次流域洪水水文計算采用《山西省水文計算手冊》進(jìn)行流域設(shè)計洪水流量計算［5］。

1.2 設(shè)計暴雨計算

水文計算在設(shè)計暴雨的計算方面包括設(shè)計點暴雨、設(shè)計面暴雨、主雨歷時和主雨雨量等內(nèi)容［6-7］。通過計算得出田家灣水庫上游斷面在50年一遇和100 年一遇的點雨量和設(shè)計面雨量隨著時間變化的值，如圖1 所示。可以看到，隨著重現(xiàn)期的增大各斷面設(shè)計面雨量明顯增大；同時，隨著時間的延長設(shè)計面雨量的值呈現(xiàn)梯度式的增長。最終通過設(shè)計面雨量采取50年一遇和100年一遇計算出的主雨歷時與主雨雨量，如表1所示。

圖1 50年一遇和100年一遇設(shè)計面雨量變化

表1 主雨歷時和主雨雨量表

1.3 產(chǎn)匯流計算

本次計算根據(jù)當(dāng)?shù)厮挠嬎惝a(chǎn)流參數(shù)選取原則，采煤漏水區(qū)砂頁巖灌叢山地的產(chǎn)流參數(shù)參考石灰?guī)r灌叢山地的參數(shù)，選用石灰?guī)r灌叢山地參數(shù)的下限參數(shù)。計算斷面的產(chǎn)流地類和各地類的參數(shù)取值，如表2所示。

表2 斷面產(chǎn)流地類及參數(shù)選取表

根據(jù)設(shè)計凈雨深計算公式計算主雨日的設(shè)計凈雨深，凈雨深計算采用雙曲正切模型［8］，設(shè)計凈雨深計算成果如表3 所示。通過不同重現(xiàn)期下各斷面凈雨深的變化，可以看到隨著重現(xiàn)期的增大在100年一遇的條件下比50年一遇時約增加約13 mm。在流域洪水匯流計算中分別采用綜合瞬時單位線法和推理公式法進(jìn)行計算分析，匯流地類及參數(shù)取值如表4所示［9-10］。

表3 凈雨深計算成果表

表4 匯流地類及參數(shù)表

通過綜合瞬時單位線法計算得到水庫上游在50 年一遇長歷時降雨條件下產(chǎn)生的最大洪峰流量為561 m3/s，100年一遇長歷時設(shè)計降雨條件下最大洪峰流量為706 m3/s。經(jīng)推理公式法計算，得到設(shè)計洪水成果如表5 所示，其中在長歷時暴雨條件下，該水庫上游50年一遇洪峰流量為641 m3/s。

表5 設(shè)計洪水成果表

1.4 洪水成果合理性分析

《田家灣水庫除險加固初步設(shè)計報告》中采用了推理公式法進(jìn)行入庫洪水計算，報告中在100 年一遇情況下計算出的洪峰流量為861 m3/s。本次推理公式法計算的100 年一遇洪水的洪峰流量為851 m3/s，24 h 洪量496 萬m3，與該報告的成果較為接近，故推理公式法的計算成果可以采用。

2 水動力計算

水動力計算采用HEC-RAS進(jìn)行二維降雨徑流模擬，該二維水動力學(xué)模型具有建模要求低、計算速度快、后處理靈活等優(yōu)勢，適用于河道洪水演進(jìn)和山區(qū)降雨匯流等多種場景下的模擬，其模塊包含恒定流、非恒定流、泥沙等［11-12］。本次模擬采用芝加哥雨型，通過HEC-RAS 二維降雨徑流模塊對該流域進(jìn)行洪水流量預(yù)報。

2.1 洪水分析模型構(gòu)建

本次研究區(qū)域選取田家灣水庫上游匯水分區(qū)進(jìn)行水動力模型構(gòu)建，以短歷時暴雨情景模擬上游降雨形成洪水情況。地形數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)分辨率為10 m 的DEM，降雨數(shù)據(jù)采用當(dāng)?shù)刂ゼ痈绫┯陱?qiáng)度公式，其他相關(guān)數(shù)據(jù)通過文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行收集［13］。模型建模區(qū)域如圖2 所示，流域包含大小河流幾十條，匯水分區(qū)面積約為97 km2。

圖2 田家灣水庫上游匯水分區(qū)

短歷時暴雨采用晉中市芝加哥暴雨公式進(jìn)行計算，分別模擬10年、20年、30年、50年和100年在2 h短歷時暴雨情況下的洪水過程，計算公式為式（1）。

式中：q為降雨強(qiáng)度，mm/min；t為降雨歷時，min；P為重現(xiàn)期，a。計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 短歷時芝加哥暴雨強(qiáng)度

2.2 模擬及結(jié)果分析

本次模擬入流條件采用不同重現(xiàn)期的芝加哥降雨過程線，下游地勢低洼處為自由出流，水庫壩址位于中下部分，庫區(qū)來水主要集中在上游三條主要河流。采用HEC-RAS 中二維降雨徑流模塊，對田家灣水庫上游匯水流域進(jìn)行模擬計算。

經(jīng)過模擬計算得到上游雨水匯入庫區(qū)前部斷面的流量如圖4 所示。其中，100 年一遇降雨形成徑流到達(dá)上游斷面的流量為88.45 m3/s，50 年一遇降雨為78.86 m3/s，均超過水庫泄洪流量。由于暴雨歷時較短，強(qiáng)度大，降雨發(fā)生后，匯水區(qū)間將快速形成徑流沿各條支流流入田家灣水庫，最大洪峰流量產(chǎn)生時間與降雨峰值的時間相差約半個小時。根據(jù)降雨-洪水模擬的結(jié)果，在考慮短歷時暴雨的情況下，流域河道內(nèi)水流能夠看到明顯水深，上游支流對庫區(qū)匯流存在一定的緩蓄作用。

圖4 短歷時暴雨不同重現(xiàn)期下上游洪水流量

50 年一遇庫區(qū)下游流量如圖5 所示，可以看出通過水庫攔截洪峰流量明顯小于上游，但降雨仍然能夠?qū)е孪掠螖嗝娈a(chǎn)生較大的水流。在重現(xiàn)期為50 年的短歷時降雨造成的流域最大淹沒水深如圖6所示，大部分淹沒區(qū)域為水庫庫區(qū)，水庫能較好地攔截洪水，使其不至于淹沒庫區(qū)下游。因此，田家灣水庫能夠較好地抵擋短歷時暴雨形成的洪峰。

圖5 下游斷面降雨流量

圖6 50年一遇短歷時暴雨最大淹沒水深

3 結(jié)論

本研究通過水文方法和水動力模擬兩種方式，分別計算長短歷時暴雨條件下田家灣水庫上游流域雨成洪水的情景，對小流域降雨洪水進(jìn)行系統(tǒng)的計算分析，得出結(jié)論如下。

①在傳統(tǒng)水文計算中，通過瞬時單位線法和推理公式法對長歷時設(shè)計暴雨條件下上游流域洪水進(jìn)行流量演算，其中，推理公式法的計算成果較為準(zhǔn)確且與實際符合，可用于該流域的水文預(yù)報。

②HEC-RAS 操作界面友好，二維降雨徑流計算速度快，其模擬結(jié)果能滿足實際運(yùn)用要求，本次短歷時暴雨工況計算采用HEC-RAS進(jìn)行二維降雨徑流模擬流域洪水過程，分別得出10 年、20 年、30年、50 年、100 年一遇降雨條件下庫區(qū)上游流量，通過模擬計算，田家灣水庫對短歷時降雨形成的洪水具有較好的調(diào)節(jié)作用。

③該水庫既能滿足長歷時設(shè)計降雨條件下的防洪標(biāo)準(zhǔn)，又能夠滿足上游短歷時降雨條件下的洪水流量調(diào)節(jié)，對下游防洪起到較大的影響。因此，該水庫對實現(xiàn)建成區(qū)北部流域系統(tǒng)的蓄排平衡發(fā)揮著重要作用。