淺析華東地區特小流域設計洪水計算方法

盧祖貴

(福建省古田縣水利局,福建 古田 352200)

1 前 言

我國水資源相當豐富,流域面積在 100km2以下的小河流不計其數。在眾多的小河流上,興建中小型水庫,發展灌溉渠系等工程,如修建農田水利工程的小水庫,渠系上交叉建筑物如涵洞、泄洪閘,以及城鎮地區的防洪工程等,都要求提供這些小流域某種頻率的設計洪水。

特小流域與大、中、小流域相比,不僅集水面積特別小,而且暴雨洪水的產流、匯流也有自身的特點,如暴雨空間分布比較均勻、地下徑流比例較小、匯流時間較短、坡地匯流起主導作用等。鑒于特小流域洪水形成的諸多特點,水文科技人員做了大量的試驗研究,總結了許多理論公式和計算方法,并不斷在工程實踐中加以應用和驗證。因此,本文試圖通過介紹小流域洪水設計計算的基本方法,分析其適用性和優缺點,結合對小型水利工程小流域設計洪水計算實例的比較和分析,從而探討尋求合理的特小流域設計洪水計算方法?，F就華東地區特小流域設計洪水計算方法淺析如下。

2 特小流域設計洪水計算的基本方法

2.1 小流域設計洪水計算的幾種主要方法

流域設計洪水計算工作已有 100多年的歷史,計算方法在逐步充實和發展,由簡單到復雜,由計算洪峰流量到計算洪水過程。從華東地區近幾十年小流域水利工程的設計情況來看,20世紀八九十年代主要采用的設計方法:(1)歷史痕跡估算法;(2)水文比擬法;(3)諾模圖表推求法。本世紀以來主要采用的設計方法:(1)推理公式法;(2)華東特小流域參數法;(3)瞬時單位線法等。

2.2 特小流域設計洪水計算的常用方法

2.2.1 原較常用的特小流域設計洪水計算方法及適用性簡評

20世紀末隨著我國水利工程和股份制小水電工程的大量涌現,我國水電工程技術人員一直沿用舊的方法來推算小流域設計洪水,由于水文比擬法不宜在集雨面積差異大的流域中使用,所以一般在特小流域洪水計算時不采用,以下簡述常用兩種方法的基本原理。

(1)歷史痕跡估算法:首先在河流上下游選擇比較順直、平穩、無較大支流匯入的河段進行,盡可能收集歷史洪水,尋找洪水痕跡標志,并測量上、下游河道痕跡以下斷面和斷面間的距離,以及該段河道的比降,應用謝才公式算出河道平均流速,最后推算得到設計洪峰流量。

(2)諾模圖表推求法:主要由暴雨來推求設計洪峰流量,以單一流域范圍內降一次暴雨、匯流于特定出口所形成的最大洪峰流量為依據,福建省水文總站根據基本公式,把多個參數分析變換成相關函數,繪制成七變數合軸相關圖(即諾模圖),由圖上可直接導出最大設計洪峰流量。

上述兩種方法都是在無水文資料或資料極短缺的情況下,采用近似估算的較簡單辦法,減少了許多繁重的設計計算,簡便易算但相對較粗略,前者存在很多的不確定性,主觀人為因素多;后者限于年代已久,千篇一律,誤差極大,已逐漸不適宜使用。

2.2.2 目前主要采用的特小流域設計洪水計算方法及適用性簡評

隨著水電技術人員技術水平的不斷提高,以及近十年計算機技術大量普及,現行主要采用推理公式法、瞬時單位線法、華東特小流域參數法等,其中瞬時單位線法比較適合于集雨面積在 200km2至1000km2,且無洪水資料的流域,所以對于特小流域一般不采用。下面介紹常用的兩種特小流域設計洪水計算基本思路。

(1)推理公式法:先把流域的產流、匯流條件均化、概化后,根據水流的連續方程和運動方程聯立求解,推導出流域出口斷面洪峰流量的計算公式。經過確定穩定入滲率 fc值,用 fc值將各時段的凈雨分割成地表和地下凈雨兩部分,由設計流域的特征參數推求 m值,通過繪制 Qm～τ和 Qm～t兩條關系曲線,求得設計地表洪峰流量;將計算得到的地下洪量,按照等腰三角形分配,即得設計地下洪峰流量。地表和地下洪峰流量相加就是所求的設計洪峰流量。

(2)華東特小流域參數法:該法主要是利用推理公式法計算的基本原理,經過大量分析華東地區的許多測站洪水特征,探求特小流域的雨洪特性和參數變化規律,根據地區流域下墊面類型,因地制宜地將各流域的洪水參數分成五類,分別建立各種類型的洪水參數計算公式,從而推求出洪峰流量的設計方法。

這兩種方法基本計算原理一樣,都是對產流、匯流條件均化、概化后,應用電算程序進行計算,計算精確并綜合考慮了各自流域下墊面情況,排除了大部分主觀人為因素的干擾,適合無水文資料的特小流域設計洪水計算。

3 特小流域設計洪水計算方法的應用和比較

3.1 特小流域設計洪水計算在工程實例中的應用

古田縣杉洋嶺里水庫大壩工程,是一座以灌溉為主,結合防洪、發電的綜合型小(一)水庫,水庫大壩為均質土壩,最大壩高 26.0m,水庫總庫容為146.5萬 m3,壩址集雨面積 2.05km2,主河道長2.99km,河道平均坡降 69.5‰。工程于 1980年 1月完工并蓄水試運行,1986年 10月在“三查三定”中對工程進行防洪復核,2009年 5月對大壩進行安全評價,再一次復核防洪安全情況。以下分別敘述歷次洪水計算的基本方法和成果:

(1)歷史痕跡估算法:工程建設之初,由于缺乏水文資料,又無法進行復雜計算,主要采用了估算法,來推求歷史洪峰流量。估算公式如下:

式中 ω——洪水位以下的河槽斷面面積;

v——流速 ;

c——天然河槽糙率系數;

R——過水斷面的水力半徑;

i——所取河段實測坡降。

對古田縣杉洋嶺里水庫經收集歷史洪水、尋找洪水痕跡和實測計算,推求的洪峰流量為:P=2%設計洪峰流量為 25.2m3/s;P=0.2%校核洪峰流量為33.6m3/s。

(2)諾模圖表推求法:1986年 10月的防洪復核主要是應用了諾模圖表推求法,其計算公式如下:

式中 Sp——最大一小時降雨量;

Ψ——洪峰徑流系數;

n——暴雨遞減指數;

τ——匯流時間;

F——集雨面積;

0.278 ——單位換算系數。

經過復核,古田縣杉洋嶺里水庫推求的洪峰流量成果為:P=2%設計洪峰流量為 27.8m3/s;P=0.2%校核洪峰流量為 37.3m3/s。

(3)推理公式法:本次嶺里水庫大壩安全評價,采用的其中一種方法,基本公式如下:

式中 Ht——相應于 t時段的最大凈雨;

F——流域面積;

τ——流域匯流時間;

m——匯流參數;

L——主干流長度;

J——河道干流比降。

經過復核推求的洪峰流量成果為:P=2%設計洪峰流量為 36.6m3/s;P=0.2%校核洪峰流量為51.8m3/s。

(4)華東特小流域參數法:根據華東地區總結的流域下墊面參數類型,經認真考察該壩址上游,主要以較稠密的混交林和竹林等為主,巖石裸露和少量耕地,河道兩岸雜草眾生,因此洪水參數 m值可取Ⅱ-2類區進行計算,計算公式 m=0.395θ0.104。推求的洪峰流量為:P=2%設計洪峰流量為 34.4m3/s;P=0.2%校核洪峰流量48.7m3/s。

3.2 不同特小流域設計洪水計算方法的比較分析

古田縣杉洋嶺里水庫在不同階段,共采用四種計算方法,得出了不同的設計洪峰流量成果,現將其匯總于表1。

表1 嶺里水庫設計洪峰流量成果比較 m3/s

通過對上表的各種計算洪水成果比較來看:

(1)原設計采用的歷史痕跡估算法和首次復核用的諾模圖表推求法,計算成果較接近,P=0.2%校核洪水相差 9.9%,P=2%設計洪水相差 9.3%。

(2)本次安評洪水復核采用 2種方法,推理公式法與華東地區特小流域洪水參數法計算的成果也較接近,P=0.2%校核洪水相差 6.0%,P=2%設計洪水相差 6.0%。

(3)原設計采用的歷史痕跡估算法計算成果偏小,與本次安評推薦的華東地區特小流域洪水參數法的復核成果相比,P=0.2%校核洪水偏小 31%,P=2%設計洪水偏小 26.7%。

(4)首次諾模圖復核法計算成果仍偏小,與本次安評推薦的華東地區特小流域洪水參數法的復核成果相比,P=0.2%校核洪水偏小 23.4%,P=2%設計洪水偏小 19.2%。

古田縣杉洋嶺里水庫原設計和首次復核,為了減少許多繁重的設計計算,分別采用近似估算和查找圖表的方法。由于歷史痕跡估算法和查找圖表法都受很多主觀人為因素的影響,過程相對簡單粗糙,常較難反映一個區域洪水歷時匯流情況,所以計算成果可能誤差較大。但本次安評洪水復核,采用了推理公式法與華東地區特小流域洪水參數法相互復核,通過對入滲率的確定計算來劃分各時段的地表和地下凈雨,計算精確且綜合考慮面廣,尤其是華東地區特小流域洪水參數法還專門針對流域下墊面參數,對壩址流域下墊面調查考證,根據現場植被因地制宜地確定參數 m,從而使成果較真實反映了流域下墊面情況。雖然計算過程也對流域產流、匯流條件進行均化和概化,但通過對計算成果的分析和歷年洪水記錄調查復核,計算方法及成果基本可靠。

4 華東地區特小流域設計洪水計算方法的合理性

通過對特小流域設計洪水計算方法的介紹,以及古田縣杉洋嶺里水庫工程不同階段、四種洪水計算成果的比較分析,不難發現 20世紀舊的特小流域洪水計算成果偏小,隨著社會經濟的不斷發展,社會對工程安全等級要求的進一步提高,已不能再適用于目前水利工程。本世紀以來,廣大水文科技人員都在認真研究和總結,不斷尋求合理推求特小流域設計洪水計算的方法。

由于特小流域的產、匯流現象,不僅受控于暴雨的時空分布,而且還要受到流域下墊面條件的制約,而這種制約的程度,又隨各種下墊面有所不同,這種不同主要反映在流域(多半在坡面)調蓄能力的大小和不同水源補給的大小,并集中反映在以不同匯流速度描述的洪水參數 m上。由此可見,特小流域洪水參數值的確定將直接影響洪水的計算成果。根據華東電力設計院和水科院水資源所對華東地區一百多個測站的幾百場洪水所做的分析和研究,專門建立了各種類型洪水參數 m的計算公式,該計算方法特別適合華東地區特小流域面積 F＜30km2(特別是 F＜10km2)的工程。

綜上所述,筆者認為目前在華東地區,在無水文資料或資料極短缺的情況下,既能確保一定準確度,又能為大多數技術人員掌握的特小流域洪水設計方法,就是利用推理公式計算基本原理,按照華東電力設計院和水科院水資源所專門研究建立的洪水參數法來推求參數 m,最后推算出設計洪峰流量的方法,即華東特小流域參數法。