寧夏荒漠區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析研究

【摘 "要】設(shè)計(jì)洪水計(jì)算是工程設(shè)計(jì)的技術(shù)依據(jù)。本文以靈武市馬家灘礦區(qū)南湖工程水文分析計(jì)算為例，就寧夏荒漠區(qū)暴雨洪水特點(diǎn)、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算以及成果合理性分析進(jìn)行了論述，提出荒漠區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中要結(jié)合實(shí)地勘察合理選取參數(shù)，同時(shí)產(chǎn)流計(jì)算要充分考慮損失，為今后同類地區(qū)計(jì)算設(shè)計(jì)洪水提供參考。

【關(guān)鍵詞】設(shè)計(jì)洪水;荒漠區(qū);寧夏

1引言

寧夏荒漠區(qū)洪水調(diào)查資料缺乏，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算屬于無(wú)資料地區(qū)，需用暴雨推求設(shè)計(jì)洪水，在計(jì)算過(guò)程中，產(chǎn)匯流計(jì)算需要根據(jù)實(shí)地情況合理選取參數(shù)，以保證計(jì)算結(jié)果合理可靠，本次以靈武市馬家灘礦區(qū)南湖工程水文分析為例，分析荒漠區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算過(guò)程中需要注意的問(wèn)題及特點(diǎn)。

2工程所處流域概況

工程區(qū)位于靈武市馬家灘鎮(zhèn)以南，鹽池縣馮記溝鄉(xiāng)以北。地處毛烏素沙漠西南邊緣，位于鹽池內(nèi)流河流域，屬低緩的半沙漠緩坡丘陵地貌單元。地形多呈梁崗狀臺(tái)地及封閉型洼地，部分地區(qū)零星分布著流動(dòng)沙丘，形成風(fēng)積地貌。梁崗多呈南北向分布，頂部寬闊平緩，低緩丘陵梁崗之間的廣大地區(qū)屬?zèng)_洪積平原，地勢(shì)較為平坦寬闊，無(wú)明顯的山洪溝道。局部地帶形成很多封閉型洼地，為地表水和地下水匯集地，地下水多為高礦化咸水，由于長(zhǎng)期蒸發(fā)濃縮作用，形成一系列鹽堿地和鹽池。工程控制流域以風(fēng)蝕為主，洪水溝道不明顯或?yàn)轱L(fēng)沙掩埋，僅馬家灘鎮(zhèn)西北方有較為明顯的流水溝道，平日無(wú)地表徑流，屬于風(fēng)沙干旱區(qū)。

3水文要素

項(xiàng)目區(qū)多年平均降水量240.0mm，由南向北遞減。降水年際變化大，年內(nèi)分配不均，主要集中在7、8、9三個(gè)月，占全年降水量的59.0%。多年平均水面蒸發(fā)量1500mm（E601型蒸發(fā)器）。11月至次年3月為結(jié)冰期，水面蒸發(fā)量小，最小月出現(xiàn)在氣溫最低月的1月份、12月份。春季風(fēng)大，氣溫回升，蒸發(fā)量增大，最大月蒸發(fā)量一般出現(xiàn)在5、6月份。干旱指數(shù)為6.3，為干旱區(qū)。

流域的徑流年內(nèi)分配不均，主要集中在汛期6～9月，與降水年內(nèi)變化相應(yīng)。年際變化很大，最大、最小相差7.9倍。該流域多年平均年徑流量90.3萬(wàn)m3，多年平均徑流量偏差系數(shù)Cv值為0.65，偏態(tài)系數(shù)Cs=2.0Cv，其保證率為50%、75%的設(shè)計(jì)徑流分別為78.0萬(wàn)m3、47.0萬(wàn)m3。

區(qū)域多年平均輸沙模數(shù)1000t/km2，年輸沙總量60.2萬(wàn)t，輸沙量主要集中在6～9月，占全年輸沙總量的98.2%。

4暴雨洪水特性

4.1暴雨特性

該區(qū)域處于干旱區(qū)，暴雨的發(fā)生有明顯季節(jié)性，6～9月正是太平洋副熱帶高壓極盛時(shí)期，暖濕氣流大量輸送，形成中小尺度切變、低渦，和本地的冷空氣配合，輻合上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，易形成雨強(qiáng)大、歷時(shí)短、籠罩面積小的局地暴雨。暴雨持續(xù)時(shí)間短、強(qiáng)度大，點(diǎn)面折減快，極易造成災(zāi)害。各年發(fā)生暴雨次數(shù)不等，暴雨一般集中在每年的6～9月。

4.2洪水特性

該區(qū)域洪水特性與暴雨特性相應(yīng)，即年際變化大，有明顯的季節(jié)性、地區(qū)性。洪水大小及發(fā)生次數(shù)與暴雨強(qiáng)度、歷時(shí)、籠罩面積等因素有關(guān)。

區(qū)域暴雨洪水不均勻的特性較為明顯，洪峰流量隨流域面積的增大而緩慢增加，一般為單峰，復(fù)式洪峰較少。洪峰流量大小與產(chǎn)流面積、暴雨集中程度、歷時(shí)有關(guān)。歷時(shí)短，洪峰陡漲陡落，峰高量小，峰型尖瘦，洪水歷時(shí)一般在3～6h。

5設(shè)計(jì)洪水

該流域內(nèi)沒(méi)有實(shí)測(cè)水文資料，采用暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水，依據(jù)《寧夏暴雨洪水圖集》、《寧夏干旱半干旱區(qū)小流域暴雨洪水泥沙研究》及新修訂的寧夏不同歷時(shí)暴雨參數(shù)等值線圖。由于工程控制范圍大，在計(jì)算中選取了多個(gè)斷面分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法一致，本文僅以3號(hào)斷面（56.82km2）為例進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析。

5.1設(shè)計(jì)暴雨

該區(qū)域1小時(shí)、6小時(shí)各保證率設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量均值為17.5mm、32.0mm。設(shè)計(jì)最大點(diǎn)雨量參數(shù)，1小時(shí)Cv=0.72，6小時(shí)Cv=0.68，Cs=3.5Cv。

表1 " 計(jì)算斷面各保證率設(shè)計(jì)點(diǎn)面雨量表

5.2設(shè)計(jì)洪水

5.2.1產(chǎn)流計(jì)算

根據(jù)工程設(shè)計(jì)頻率和不同歷時(shí)點(diǎn)雨量均值及統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖，求出該流域設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量，然后根據(jù)不同計(jì)算分區(qū)、面積、重現(xiàn)期等選擇點(diǎn)面折減系數(shù)，求得不同保證率的面雨量。該區(qū)選用同頻內(nèi)包雨型，然后由面雨量過(guò)程以扣損法計(jì)算產(chǎn)流過(guò)程。

產(chǎn)流公式如下：

Ri=Hi-fi

Ri-為產(chǎn)流期某時(shí)段凈雨 （mm）;

Hi-為產(chǎn)流期某時(shí)段面雨量 （mm）;

fi-為產(chǎn)流期某時(shí)段損失水量（mm）;

《寧夏暴雨洪水圖集》產(chǎn)流區(qū)劃分中該項(xiàng)目區(qū)屬于黃土丘陵II1區(qū)。隨著資料系列延長(zhǎng)，《寧夏干旱半干旱區(qū)小流域暴雨洪水泥沙研究》對(duì)產(chǎn)匯流區(qū)進(jìn)一步的細(xì)化，該項(xiàng)目區(qū)屬于風(fēng)沙干旱區(qū)中的沙漠區(qū)。根據(jù)實(shí)地勘察，結(jié)合與該區(qū)域地形地貌相近的鹽池王樂(lè)井鄉(xiāng)歷史洪水資料，本次產(chǎn)流區(qū)采用《寧夏干旱半干旱區(qū)小流域暴雨洪水泥沙研究》中的沙漠區(qū)扣損公式計(jì)算。同時(shí)考慮流域內(nèi)沒(méi)有成型溝道，洼地比較多，土壤下滲比較大，暴雨形成的徑流邊匯流邊下滲，到達(dá)計(jì)算斷面的洪水逐步減少，所以本次平均損失率在沙漠區(qū)的基礎(chǔ)上系數(shù)加大10%計(jì)算，公式如下：

沙漠區(qū)（加大10%）：

5.2.2匯流計(jì)算

匯流計(jì)算是根據(jù)推求的設(shè)計(jì)凈雨過(guò)程 Ri推求流域出口斷面的洪水流量過(guò)程，采用納希瞬時(shí)單位線法推求。按瞬時(shí)單位線原理，就是凈雨歷時(shí)趨于零的極小時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生的一個(gè)單位凈雨（1mm凈雨深）在出口處所形成的流量過(guò)程線，其公式為：

u（t）=

式中：t——時(shí)段變量;

u（t）——為t時(shí)的瞬時(shí)單位線的縱坐標(biāo);

n，k——為瞬時(shí)單位線形狀參數(shù);

Γ（n）——伽瑪函數(shù)

據(jù)上式可導(dǎo)出時(shí)段單位線方程式為：

q（Δt·t）=

式中： "q（Δt·t）面積為F的流域上，t時(shí)段內(nèi)凈雨量為1mm的單位線在t時(shí)段的縱坐標(biāo)，以m3/s計(jì);

Δt——計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)（h）;

——換算系數(shù);

——納希瞬時(shí)單位的累積曲線，又稱S（t）曲線;

——形同S（t）曲線，唯在時(shí)間坐標(biāo)上錯(cuò)后Δt時(shí)，用S（t-Δt）表示。

[S（t）- S（t-Δt）]簡(jiǎn)寫(xiě)為ΔS（t），稱為Δt小時(shí)無(wú)因次時(shí)段t時(shí)的縱高。一般以μ（Δt·t）表示。

5.2.3計(jì)算參數(shù)

在計(jì)算瞬時(shí)單位線，進(jìn)行洪水演進(jìn)時(shí)，須求得參數(shù)n，k，滯時(shí)M，計(jì)算公式如下：

n=1.22L0.231，K=M1i/n，M1i=0.148L0.9i-0.093

i——產(chǎn)流區(qū)平均凈雨強(qiáng)度（mm/h）;

L——概化長(zhǎng)度（km）。

5.2.4計(jì)算成果

通過(guò)計(jì)算，斷面10年、20年、30年一遇暴雨基本不產(chǎn)生洪水，主要由于該區(qū)域地形比較平坦，土壤基本為沙土，下滲量比較大，加之沙生植物生長(zhǎng)，流域內(nèi)無(wú)明顯溝型，降雨基本全部下滲。結(jié)合鹽池縣王樂(lè)井鄉(xiāng)歷史洪水分析，948洪水分析成果“沙漠區(qū)一般20～30一遇暴雨基本不產(chǎn)生洪水，50年一遇產(chǎn)生正常洪水的一半，百年以上暴雨才能產(chǎn)生較大洪水（約10～20年一遇）”。計(jì)算成果與歷時(shí)洪水調(diào)查結(jié)果基本一致，符合實(shí)際情況。

表2 "斷面各保證率設(shè)計(jì)洪峰流量、洪水總量表

6成果合理性分析

該流域內(nèi)沒(méi)有實(shí)測(cè)水文資料，本次利用Google Earth對(duì)本區(qū)域下墊面條件與90年代進(jìn)行對(duì)比分析，該區(qū)域現(xiàn)狀植被覆蓋率較90年代有了較大幅度提高，主要是近二十年來(lái)封山禁牧的效果。地形條件基本沒(méi)有變化，本次采用地貌類型與該流域非常接近的鹽池縣9408暴雨洪水成果比較分析。

6.1設(shè)計(jì)暴雨的合理性

鹽池縣9408暴雨洪水長(zhǎng)城以北斷面集水面積17.4km2，6小時(shí)點(diǎn)雨量83.7mm，重現(xiàn)期24年一遇，本次計(jì)算項(xiàng)目區(qū)30年一遇6小時(shí)點(diǎn)雨量85.4mm，與長(zhǎng)城以北調(diào)查斷面相差2.0%。八堡斷面集水面積66.5km2，6小時(shí)點(diǎn)雨量151mm，重現(xiàn)期246年一遇，本次計(jì)算項(xiàng)目區(qū)300年一遇6小時(shí)點(diǎn)雨量141mm，與八堡斷面調(diào)查值相差6.6%。從點(diǎn)雨量均值等值線圖分析，本區(qū)域1h、6h點(diǎn)雨量均值比鹽池縣城附近略小，說(shuō)明本次計(jì)算值是合理的。

6.2設(shè)計(jì)洪水的合理性

6.2.1暴雨與洪水頻率

根據(jù)鹽池縣948暴雨洪水計(jì)算，八堡斷面暴雨的重現(xiàn)期為246年一遇，長(zhǎng)城以北區(qū)域暴雨的重現(xiàn)期為24年一遇，洪水重現(xiàn)期分別為45年、2年。說(shuō)明該區(qū)域洪水重現(xiàn)期遠(yuǎn)小于暴雨的重現(xiàn)期。鹽池縣948暴雨洪水調(diào)查各分區(qū)暴雨與洪水頻率對(duì)照表見(jiàn)表3。

表3 " 各分區(qū)暴雨與洪水頻率對(duì)照表

分區(qū) 平均雨量 暴雨重現(xiàn)期 洪水重現(xiàn)期

草泥洼 163 374 16

紅山溝 136 152 16

野湖井 221 超千年 超千年

城南林場(chǎng) 204 超千年 75

八堡 151 246 45

得勝墩 133 138 133

長(zhǎng)城以北 83.7 24 2.2

本次分析成果中，重現(xiàn)期30年以下的暴雨基本不產(chǎn)生洪水，超過(guò)50年的暴雨才產(chǎn)生洪水的結(jié)論是合理的。

6.2.2洪峰模數(shù)

“948”暴雨洪水成果中調(diào)查的八堡斷面調(diào)查洪峰流量98.0m3/s，調(diào)查重現(xiàn)期45年一遇，計(jì)算洪峰流量154m3/s，計(jì)算洪峰重現(xiàn)期195年一遇。計(jì)算與調(diào)查值相差較大，主要原因是控制區(qū)域內(nèi)的洪水無(wú)行洪溝道，調(diào)查斷面只控制了本區(qū)域來(lái)水的一部分，因此，調(diào)查洪峰值偏小。八堡斷面調(diào)查洪峰模數(shù)1.47，計(jì)算洪峰模數(shù)2.32，本分析成果中與八堡斷面控制面積接近的3號(hào)斷面控制流域面積56.82km2，計(jì)算面積27.41km2，采用6小時(shí)同頻內(nèi)包雨型計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，與6小時(shí)面雨量同頻的設(shè)計(jì)洪水，300年一遇洪峰模數(shù)1.83，介于八堡斷面調(diào)查洪峰與計(jì)算的洪峰模數(shù)之間。由于八堡調(diào)查斷面洪水沒(méi)有全部控制，所以調(diào)查值偏小，洪峰模數(shù)也偏小，本次計(jì)算洪峰模數(shù)略大于八堡斷面調(diào)查的洪峰模數(shù)，基本合理。

表4 " 設(shè)計(jì)洪水與鹽池948暴雨洪水八堡斷面調(diào)查值對(duì)比表

分項(xiàng) 948暴雨洪水八堡斷面 本次計(jì)算 對(duì)比結(jié)果（%）

集水面積 66.5 56.82 -14.6

6小時(shí)點(diǎn)雨量 151 141 -6.6

重現(xiàn)期 246 300

洪峰模數(shù) 調(diào)查洪峰模數(shù) 1.47 1.83

計(jì)算洪峰模數(shù) 2.32

平均 1.90 -3.4

6.2.3徑流系數(shù)

（1）根據(jù)苦水河流域郭家橋水文站實(shí)測(cè)暴雨洪水資料統(tǒng)計(jì)分析，其徑流系數(shù)多在0.08～0.11之間。

表5 "苦水河郭家橋歷史大洪水分析成果對(duì)照表

編號(hào) 平均面雨量（mm） 降水總量（108m3） 洪峰流量（m3/s） 洪水總量（108m3） 徑流系數(shù)

680825 29 1.51 487 0.168 0.11

940805 29.5 1.54 505 0.168 0.11

990718 47.2 2.46 525 0.22 0.09

020608 65.6 3.42 676 0.284 0.08

（2）根據(jù)鹽池縣948暴雨洪水調(diào)查成果，暴雨降水總量達(dá)5373萬(wàn)m3，真正形成的洪水總量?jī)H為714萬(wàn)m3，徑流系數(shù)平均為0.13。

鹽池縣948暴雨洪水調(diào)查成果中，八堡斷面暴雨的重現(xiàn)期為246年一遇，徑流系數(shù)0.15，長(zhǎng)城以北區(qū)域暴雨的重現(xiàn)期為24年一遇，徑流系數(shù)0.02。說(shuō)明調(diào)查斷面的徑流系數(shù)與暴雨重現(xiàn)期關(guān)系密切，暴雨重現(xiàn)期越稀遇，徑流系數(shù)越大，反之越小。且該區(qū)域洪水重現(xiàn)期遠(yuǎn)小于暴雨的重現(xiàn)期。與八堡斷面面積接近的3號(hào)斷面300年一遇降水總量649.5萬(wàn)m3，相應(yīng)的洪水總量44.6萬(wàn)m3，徑流系數(shù)0.07，比郭家橋水文站和八堡調(diào)查斷面徑流系數(shù)小。

表6 " 調(diào)查斷面徑流系數(shù)分析對(duì)照表

分區(qū) 平均雨量 重現(xiàn)期 洪水重現(xiàn)期 徑流系數(shù)

八堡 151 246 45 0.15

長(zhǎng)城以北 83.7 24 2 0.02

經(jīng)與該區(qū)域鄰近的水文站實(shí)測(cè)資料分析及調(diào)查洪水資料對(duì)比分析，考慮該區(qū)域的地形、地貌特點(diǎn)及流域產(chǎn)匯流條件及實(shí)地勘察情況，由于該區(qū)域沒(méi)有成型溝道，洼地較多，經(jīng)與90年代植被覆蓋率相比，植被覆蓋度有了較大幅度提高。因此，相比948調(diào)查暴雨洪水情況，徑流系數(shù)偏小是合理的。加之區(qū)域內(nèi)洼地較多，降水一部分下滲，形成徑流的部分通過(guò)植被截蓄，部分匯入就近洼地，實(shí)際匯入計(jì)算斷面的洪水比較小。因此，徑流系數(shù)也小。所以，本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的逐項(xiàng)成果是合理。

7結(jié)論

（1）對(duì)于水文站分布較少，且缺乏實(shí)測(cè)資料的荒漠區(qū)，設(shè)計(jì)洪水一般采取暴雨推求。

（2）荒漠區(qū)土壤以風(fēng)沙土為主，結(jié)構(gòu)松散，侵蝕嚴(yán)重，肥力脊薄，降雨入滲比較大，相應(yīng)暴雨產(chǎn)流過(guò)程中，扣損較其他地區(qū)偏大。

（3）寧夏荒漠區(qū)雖無(wú)明顯溝道或洪水較少，但仍然有大暴雨及較大洪水發(fā)生，而且部分行洪溝道是當(dāng)次暴雨形成，洪水過(guò)后被風(fēng)沙掩埋，所以在計(jì)算設(shè)計(jì)洪水時(shí)需根據(jù)實(shí)地勘察合理選取參數(shù)計(jì)算。

（4）重現(xiàn)期30年以下的暴雨基本不產(chǎn)生洪水，超過(guò)50年的暴雨才產(chǎn)生洪水的結(jié)論是合理的

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