淺析無資料小流域設計洪水計算
——以烏蘭察布高原東南部丘陵區為例

李 立

(內蒙古自治區水利水電勘測設計院，內蒙古 呼和浩特 010020)

淺析無資料小流域設計洪水計算
——以烏蘭察布高原東南部丘陵區為例

李 立

(內蒙古自治區水利水電勘測設計院，內蒙古 呼和浩特 010020)

本文闡述了無資料小流域設計洪水計算方法，并率定了計算參數。選擇烏蘭察布高原東南部丘陵區乃曼郭勒和東河兩個典型區，采用兩種方法計算設計洪水，并通過歷史調查資料驗證計算方法及參數的合理性，同時針對設計洪水計算的制約因素提出解決措施。

小流域;無資料;設計洪水;驗證

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.017

烏蘭察布高原東南部地處內蒙古自治區烏蘭察布市和錫林郭勒盟接壤地帶，西鄰陰山北麓土石山丘陵草原區，北側和東側與渾善達克沙地相接，南為大馬群山，行政區劃涉及烏蘭察布市的商都縣、化德縣和錫林郭勒盟的鑲黃旗、正鑲白旗及太仆寺旗等。區內地勢開闊，地表起伏不平，多寬淺盆地，海拔高程為1200～1600m，丘陵、高平原、沙漠、湖沼等多種地形相間分布。本區涉及察汗淖爾、阿拉騰嘎達斯、東烏蘭諾爾及西烏蘭諾爾水系，水文觀測站點稀少，缺乏實測水文資料，給設計洪水計算帶來了極大的困難。目前，小流域設計洪水計算方法主要有水文比擬法、地區經驗公式法和推理公式法［1］，前兩種方法原理基本一致，本文主要探討地區經驗公式法和推理公式法的適用性。

1 計算方法

1.1 地區經驗公式法

地區經驗公式需要通過具有長期觀測資料且有代表性的水文站設計洪水參數進行率定。內蒙古自治區內陸河上控制流域面積小于1000km2的水文站點有烏蘭花河活佛灘站、霸王河集寧站和不凍河商都站。其中活佛灘站集水面積為92.5km2，流域內地貌為大青山北麓土石山區丘陵區;集寧站集水面積為701km2，流域內地貌為臺地丘陵區;商都站集水面積為543km2，流域內地貌為丘陵區［2］。《內蒙古自治區水文手冊》選用商都站為代表站分析了丘陵區的洪水地區經驗公式，資料系列為1962～ 1974年，年限不足15年，代表性不強。本次采用延長至2006年的商都站設計洪水成果修正地區經驗公式。

1.1.1 單參數公式［3，4］

單參數地區經驗公式的形式為:

n—洪峰衰減指數;

C1—經驗系數;

F—流域面積，km2。

本次分別對面積小于 100km2及大于等于100km2的流域地區經驗公式進行了修正，洪峰衰減指數n采用《內蒙古自治區水文手冊》中的成果，經驗系數C1采用延長系列后的設計洪水成果反算，修正成果見表1。

表1 丘陵區地區經驗公式修正系數

1.1.2 多參數公式［3］

多參數地區經驗公式的形式為:

J—控制斷面以上河道比降;

f—流域形狀系數，f=F/L2，L為河道長度(km);

C2—經驗系數;

其他符號含義同上。

利用商都站多年平均洪峰流量、多年平均24h暴雨(以點代面)、河道比降、流域面積及河道長度反算公式中的經驗系數C2，計算成果見表2。

表2 多參數公式經驗系數C計算成果

1.2 推理公式法［3，4］

式中:Sp=H面24h，p24n-1

H面24h，p—設計標準下的24h面平均暴雨;

ns，L=1+C×lg(HS/Hl)，暴雨遞減指數，較短時段為S，較長時段為 L［5，6］;1h～6h和6h～24h的C值分別為1.285和1.661;產流歷時內平均下滲強度(mm/h);

hm—設計暴雨產生的徑流深(mm)，hm=aH24h，p;產流歷時;

m—匯流參數;

F0—流域地形圖上長度為LtB的最大面積。

2 典型區計算案例

2.1 典型區概況

2.1.1 流域概況

本次計算典型區選為正鑲白旗明安圖鎮乃曼郭勒和太仆寺旗寶昌鎮東河。乃曼郭勒位于正鑲白旗境內，屬于錫林郭勒盟南部內陸河阿拉騰嘎達斯水系，是布爾嘎斯特郭勒的一級支流。該溝為季節性山洪溝，發源于額勒圖山，自北向南流經正鑲白旗政府所在地明安圖鎮后，折向西，其下游又稱為后河，在大淖附近匯入布爾嘎斯特郭勒［7］。該溝流域面積為201.9km2，河道長度為48.2km，河道比降約為10.3‰［8］。流域海拔高程在1230～1730m之間，為低山丘陵區，植被覆蓋差，水土流失嚴重。

東河位于太仆寺旗中部，是寶昌溝流域主要河流之一，為季節性河流，發源于太仆寺旗后房子村的小尖梁的南麓，向南貫穿寶昌鎮，經白馬群進入平緩草原，最終匯入烏蘭諾爾［8］。該河流域面積為474.8km2，河道長度為 45km，河道平均比降為5.8‰［9］。寶昌鎮以上河道蜿蜒曲折，河床為卵石砂礫覆蓋，以下屬于平緩草原。

設計洪水計算控制斷面選擇:乃曼郭勒選為明安圖鎮舊中心橋;東河選為寶昌鎮宏大水庫壩下。控制斷面以上流域特性見表3。

表3 典型區洪水計算控制斷面以上流域特性

2.1.2 氣候特征

本區域屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候區。氣候特征為春季干旱多風，夏季短熱多雨，秋季涼爽溫差大，冬季嚴寒漫長。根據區域內氣象站觀測資料統計分析，多年平均氣溫為1.4～3.5℃，極端最高氣溫為33.5～38.7℃，極端最低氣溫為-35.0～-39.8℃。多年平均降水量為 268.0～386.8mm，主要集中在6～9月，占全年降水量的70%。多年平均蒸發量為1715.5～2235mm(Φ20蒸發皿)。多年平均風速為3.4～4.8m/s，歷年最大風速24～40m/s，汛期6～9月多年平均最大風速為14.2～16.4m/s，風向多為WNW。該區域歷年最大凍土深為199～295cm。

2.1.3 暴雨洪水特性

本區域河流洪水主要由暴雨形成，暴雨同西太平洋副熱帶高壓的活動有密切關系，每年6月下旬至9月上旬是暴雨最為活躍期，水汽沿太平洋高壓西北前沿輸送至此，與西風帶中的冷渦氣旋配合，冷暖氣流的交匯為本區暴雨的形成提供了有利條件。本地區年降水量不大，但局部暴雨比較頻繁，暴雨的特點是突發性強、籠罩面積小、強度大、歷時短，一般主雨歷時多在3～4h。根據觀測資料統計，多年平均24h最大降雨量為39.3～52.2mm，歷年最大一日降雨量正鑲白旗為111.0mm(1974年)、太仆寺旗為121.8mm(1969年)。

洪水與暴雨同期，其特點為峰高、量小、洪水歷時短，一次洪水歷時一般不超過24h。

2.1.4 實測及調查洪峰流量

在明安圖鎮和寶昌鎮均有調查洪水，洪水發生年份為1983年和2003年，調查洪峰流量為176～465m3/s，重現期為25～1000年。實測及調查洪水成果見表4。

表4 實測或調查洪水成果［8，9］

2.2 典型區設計洪水計算

利用前述兩種方法計算典型河流控制斷面以上設計洪水，計算成果見表5，其中推理公式法計算參數見表6和表7。

表5 典型區設計洪水計算成果

表6 舊中心橋設計洪計算參數

表7 宏大水庫壩下設計洪計算參數

2.3 計算驗證及方法適應性分析

利用調查的乃曼郭勒2003年洪水和東河1983年洪水驗證前述兩種設計洪水計算方法的合理性，成果對比見表8。

表8 典型區設計洪峰流量計算值與調查值對比驗證

通過上表對比分析，乃曼郭勒設計洪水計算中單參數地區經驗公式計算值與調查值最為接近，偏小8.5%;東河設計洪水計算中多參數地區公式和推理公式法計算值與調查值相差都不大，離差分別為4.3%～2.6%。由此看出，兩種方法對典型區均有其各自的適應性，設計洪峰流量合理確定關鍵還要依靠實測或調查洪水的驗證。

3 結語

通過上述分析可知，無資料地區小流域設計洪水計算的關鍵是具有實測或歷史調查資料進行驗證。

目前，內蒙古自治區廣大區域水文基礎觀測設施建設嚴重滯后，小流域水文觀測資料匱乏，嚴重制約了工程設計中水文分析計算工作，水文部門應完善水文基礎觀測站網建設規劃，盡快建設小流域水文試驗站。局地暴雨洪水調查工作未能全面及時開展，致使無資料地區設計洪水合理性無法驗證，應加強管理，使小流域局地暴雨洪水調查工作常態化。水文觀測及調查資料不能全面共享，限制了科研人員對小流域設計洪水計算方法及基礎參數的研究，建議水文資料面向全社會公開。

［1］SL44-2006.水利水電工程設計洪水計算規范［S］.

［2］鄭春溪，李立，等.內蒙古自治區錫林郭勒盟鑲黃旗新寶拉格鎮防洪工程初步設計報告［R］.呼和浩特.2011.

［3］內蒙古自治區水文總站.內蒙古自治區水文手冊［R］.呼和浩特.1977.

［4］陳家琦，張恭肅.小流域暴雨洪水計算［M］.北京:水利電力出版社，1983.

［5］水利部水文局，南京水利科學研究院，中國暴雨統計參數圖集［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.

［6］連明濤，朱文升.特大暴雨遞減指數分析［J］.水利規劃與設計，2014(11):14-16.

［7］內蒙古自治區水文總站.內蒙古自治區(西部)河流湖泊(諾爾)特征值手冊［R］.呼和浩特.1980.

［8］嚴坤欽，李立，等.內蒙古自治區正鑲白旗明安圖鎮防洪工程初步設計報告［R］.呼和浩特.2011.

［9］河北省水利水電第二勘測設計研究院.內蒙古自治區太仆寺旗寶昌鎮東河防洪工程初步設計報告［R］.石家莊.2011.

P333.2

A

1672-2469(2016)08-0050-03

2015-10-23

李 立(1982年—)，男，工程師。