浅析无资料地区河道洪峰流量推求

2014-07-25康静静

陕西水利 2014年5期

康静静

（陕西省宝鸡峡引渭灌溉管理局陕西咸阳 712000）

1 概况

镇川沟位于榆林米脂县，是黄河水系无定河左岸一级支流，流域面积287km2，主河道长37.8km，河道平均比降为7.91‰。流域区内沟壑纵横、梁峁起伏、支离破碎，属黄土丘陵沟壑区。米脂县镇川沟（李家站乡段）防洪工程工程分为两段：亢渠村段和史家坬村段。从防洪安全角度考虑，本次选取亢渠村治理工程出口断面（以下称断面A）、史家坬村治理工程进口断面（以下称断面B）作为控制断面，根据万分之一地形图量算得到断面A和断面B的控制流域面积分别为93.0km2和176km2，各断面以上河长分别为19.2km、和23.6km，各断面以上主河道比降分别为5.7‰和5.2‰。

米脂县位于陕西省北部东侧，榆林市中部，无定河中游。地处东径109°49′～110°29′，北纬 37°39′～38°5′，东邻佳县，南接绥德，西连子洲、横山，北界榆阳区。东西长59km，南北宽47km，土地总面积1212km2。境内地形属黄土高原丘陵沟壑区，地势呈东西高、中间低，平均海拔1049m。

2 洪峰流量推求及合理性分析

我国目前23个省份中，只有榆林地区水文手册没有正式出版，因此无法参考水文手册计算洪峰流量。所以本次采用《陕西省中小流域设计暴雨洪水图集》及查算图表，使用参证站面积比拟法进行设计洪峰流量推求。

2.1 推理公式法计算洪峰流量

2.1.1 设计暴雨

根据《陕西省中小流域设计暴雨洪水图集》及查算图表，本次各控制断面的设计暴雨历时均取12h，暴雨计算时段均取1h。

（1）设计点雨量。

查《陕西省中小流域设计暴雨洪水图集》及查算图表，提供的年最大1h、3h、6h、12h点雨量均值等值线图和变差系数CV等值线图，得不同历时流域中心的暴雨量均值和变差系数CV，采用CS=3.5CV查P-Ⅲ型频率曲线模比系数KP值表，利用公式HP=KP计算不同频率不同历时的暴雨量。

（2）设计面雨量。

根据《陕西省中小流域设计暴雨洪水图集》及查算图表，采用下式计算面暴雨量：

式中，HFP——某历时设计面暴雨量，mm；

Hp——某历时设计点暴雨量，mm；

依《陕西省中小流域设计暴雨洪水图集》及查算图表，镇川沟属陕北I1区，采用陕北I1区的at、bt值，计算得各控制断面不同历时的点面折算系数和面雨量。

（3）设计面雨量时程分配。

根据《陕西省中小流域设计暴雨洪水图集》及查算图表，得面雨量的概化雨型，据此计算得不同频率面暴雨的时程分配。

（4）流域形状改正计算。

暴雨的流域形状修正系数，与流域面积、流域行政、流域方位以及暴雨特征等有关，根据《陕西省中小流域设计暴雨洪水图集》及查算图表，流域形状修正采用经验系数法，修正量在各时段平均扣除。

修正量计算公式为：

式中，ΔHtpm——某t时段的流域设计暴雨修正量，mm；

γ——流域形状修正系数，γ=1.086F-0.036=0.8858；

Htpm——某t时段的流域设计暴雨量，mm。

经计算P＝5%、P＝10%和P＝20%的各时段设计暴雨修正量分别为0.89mm、0.7mm和0.5mm。计算得到修正后的不同频率的暴雨时程分配。

2.1.2 产流计算

（1）产流量计算。

（2）潜流量计算。

根据《陕西省中小流域设计暴雨洪水图集》及查算图表，潜流量占产流总量∑R的10%，各时段采用平均扣损。产流过程中减去潜流过程即得地面净雨过程。

2.1.3 汇流计算

采用推理公式法进行汇流计算。计算公式如下：

式中：τ——流域汇流时间，h；

h、hτ——单一洪峰的净雨量和相应于τ时段的最大净雨量，mm；

tc——产流历时，h；

L——沿主河槽从出口断面至分水岭的最长距离，km；

J——沿流程L的平均比降，以小数计；

M——经验性汇流参数；

α、β ——经验性指数，统一采用α=1/3、β=1/3。

其他符号含义同前。汇流参数m采用下式计算:

经计算，断面Aθ为23.72，断面Bθ为24.31。

采用计算图解法（t～Qm曲线，Qm～T曲线）推求不同频率洪峰流量，由图中查得各控制断面不同重现期的洪峰流量和汇流时间。结果见表1。

2.2 参证站面积比拟法

2.2.1 参证站基本资料

马湖峪水文站于1961年8月由黄河水利委员建成，至今已有1962年～2004年43年实测洪水资料。在这些资料中最大洪水是1970年发生的，实测洪峰流量为1840m3/s，洪水重现期为40年一遇。该水文站断面处有3场历史调查洪水资料：1932年洪峰流量为5280m3/s，洪水重现期为80年一遇；1942年洪峰流量为1230m3/s，洪水重现期为10年一遇；1954年洪峰流量为899m3/s，洪水重现期为10年一遇。目前收集到的马湖峪水文站实测资料系列相对较长，具有可靠性、一致性和代表性，可作为本次设计洪峰流量的基本资料。

2.2.2 参证站洪峰流量

马湖峪水文站位于拟建工程附近，控制流域面积371km2。可以认为工程区与马湖峪水文站产汇流条件一致。根据目前收集到的马湖峪水文站1962年～2009年48年实测洪峰流量系列资料，将1932年历史洪水调查资料和1970年实测特大洪水作特大不连续处理，1942年及1954年的洪水按一般洪水处理。采用统一样本法计算经验频率，根据“水利水电工程设计洪水计算规范”，频率曲线线型选用皮尔逊Ⅲ型曲线，频率曲线的参数采用矩法初估，以适线最终确定。

特大洪水的经验频率计算公式为：

一般洪水的经验频率计算公式为：

式中，PM、Pm——分别为特大洪水和一般洪水经验频率；

M、n——分别为特大洪水和一般洪水的排序号；

N、n——分别为特大洪水首项重现期和一般洪水系列项数。

系列均值估算公式为：

变差系数计算公式为：

Qi—特大洪水，i=1，2，…，a

Qj—一般洪水，j＝l+1，l+2，…，n；

a—特大洪水个数，本次a=2；

l—实测洪峰流量中特大洪峰流量的数目，本次l=1。

计算得马湖峪水文站1962年～2009年48年的平均洪峰流量为344m3/s，根据配线结果Cv=1.8，Cs=3.0Cv，10年一遇洪峰流量为788m3/s。

《陕西省中小河流治理项目米脂县马湖峪沟防洪工程初步设计报告》中马湖峪站设计洪峰流量计算成果依据马湖峪水文站1962年～2004年43年实测洪峰流量系列资料，将1932年历史洪水调查资料和1970年实测特大洪水作特大不连续处理，1942年及1954年的洪水按一般洪水处理。计算经验频率用矩法计算统计参数作为初试值，采用P-Ⅲ型曲线目估适线。根据配线结果Cv=1.5，Cs=3.0Cv，10年一遇设计洪峰流量为950m3/s。

表1 各控制断面不同重现期主雨段洪峰流量及汇流时间表

表2 镇川沟设计洪峰流量计算成果表

由马湖峪水文站实测资料系列延长，2005年～2009年实测最大洪峰流量分别为 16.3m3/s、221m3/s、71.6m3/s、18.9m3/s、7.49 m3/s。计算得马湖峪水文站1962年～2009年48年的平均洪峰流量为344m3/s，小于1962年～2004年43年的平均洪峰流量371m3/s。由于2005年以后马湖峪流域没有发生过较大洪水，为了偏安全，本次设计仍采用2004年之前的计算结果，10年一遇设计洪峰流量为950m3/s。

2.2.3 镇川沟设计洪峰流量

镇川沟无水文站，资料不全，本次采用马湖峪为参证站，以参证站面积比拟法计算镇川沟设计洪峰流量，公式如下。

n=2/3，成果见表 2。

2.3 成果的合理性分析及选取

由表2可以看出，暴雨推求设计洪水法考虑了降水、河道比降，也考虑了流域形状，该方法在理论上比较严密。但根据调查洪水，镇川沟推理公式中推求的洪峰流量偏大。根据分析推理公式法计算过程，由推理公式法推求的洪水其产流时间大于净雨时间，所以该方法计算的结果与实际不符。

新中国成立以来，镇川沟流域遭受水灾达20多次，其中以1954年、1956年、1959年、1970年、1964年、1978年、1994年七次为最。根据米脂县水利局于2011年10月对上段马家梁大桥和下段史家坬村桥附近的大洪水进行调查，推算得上述七次洪水的洪峰流量，并对历次洪水进行排序，结果见表3。

表3 调查洪水

由表3可知，自新中国成立以来60年间，镇川沟流域共发生七次大洪水，其中，1954年的洪水排序第六，因此可以初步将1954年洪水的重现期定为10年一遇洪水标准，与上述历史调查洪水较为接近。

参证站面积比拟法推求的洪水结果（表2）与历史上发生的同频率洪水较为接近，所以本次从实际出发，洪峰流量采用参证站面积比拟法成果。

根据相近流域马湖峪水文站资料，在1954年发生了10年一遇洪水，所以镇川沟的设计洪水也按10年一遇计算，对采用临近水文站实测糙率所推水面的合理性，进行洪痕验证。

对现场勘查到的1954年发生大洪水时的亢渠村段和史家坬村段的洪痕高程进行了分析。该场洪水最大洪峰流量为375m3/s，基本为10年一遇洪水。据米脂县水务局的相关负责人反映，当时马家梁大桥洪痕高程为1002.55m，与本次设计洪峰流量378m3/s时洪水位1002.50m基本接近，史家坬村桥的洪痕高程为970.23m，与本次设计洪峰流量578m3/s时洪水位969.65m基本接近。故认为亢渠村段和史家坬村段采用的结果与实际资料符合，水面线基本合理，洪峰流量选取合理。