無資料地區(qū)混合地貌流域設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算探討

惠 蕾，霍 磊，馬永勝

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

無資料地區(qū)混合地貌流域設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算探討

惠 蕾，霍 磊，馬永勝

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

目前無資料地區(qū)多采用經(jīng)驗(yàn)公式法或根據(jù)暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水，這些方法的參數(shù)或公式多是根據(jù)單一下墊面情況分區(qū)建立的，對(duì)于混合型地貌并不能完全套用。由于所依據(jù)資料的可靠程度不同，各方法計(jì)算的洪水成果差異也較大，使得無資料混合地貌流域洪水參數(shù)選取及洪水量級(jí)更難確定。以南川河為例對(duì)無資料地區(qū)復(fù)雜地貌流域的設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算進(jìn)行探討，分析結(jié)果表明：根據(jù)下墊面情況將流域分為黃土丘陵溝壑區(qū)和黃土林區(qū)兩部分，分別按經(jīng)驗(yàn)公式法、推理公式法推求各分區(qū)設(shè)計(jì)洪水并進(jìn)行疊加計(jì)算，這樣推求的洪峰流量成果更符合流域?qū)嶋H。

無資料地區(qū)；黃土丘陵溝壑區(qū)；稍林區(qū)；設(shè)計(jì)洪水

20世紀(jì)80年代，各省、市、自治區(qū)進(jìn)行了水文調(diào)查和研究，制訂了相應(yīng)的《水文圖集》、《水文手冊(cè)》、《暴雨洪水查算手冊(cè)》，為無資料地區(qū)進(jìn)行簡單的水文計(jì)算提供了依據(jù)，但同時(shí)也存在一定局限性。目前無資料地區(qū)多采用經(jīng)驗(yàn)公式法或根據(jù)暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水，這兩種方法的參數(shù)或公式是根據(jù)單一下墊面情況分區(qū)建立的，對(duì)于混合型地貌并不能完全套用。流域的水文、氣象、地形地貌和土壤植被等水文因素的不同致使各流域洪水具有不同特點(diǎn)，尤其對(duì)于無資料地區(qū)混合地貌流域，其洪水參數(shù)選取及洪水量級(jí)更難確定。本文結(jié)合工程實(shí)例，以陜北地區(qū)延河流域南川河為例,對(duì)類似下墊面情況較復(fù)雜的無資料地區(qū)流域洪水計(jì)算進(jìn)行了初步探討。

1 問題的提出

南川河是延河一級(jí)支流，發(fā)源于延安市寶塔區(qū)西南嶗山北麓寨子溝一帶，自西向東北流經(jīng)萬花山、柳林兩鄉(xiāng)，在延安市寶塔區(qū)東關(guān)橋下約100 m處匯入延河,流域面積430 km2，河長29.1 km，河道平均比降9.6‰，主溝長24.9 km。流域大部分地區(qū)為黃土丘陵溝壑區(qū)，另有部分地區(qū)為黃土林區(qū)，植被條件較好，為天然稍林區(qū)。其中非林區(qū)面積為232.2 km2,占南川河面積432.5 km2的53.7%。

南川河流域無實(shí)測洪水資料，本文采用間接的方法，即水文比擬法、經(jīng)驗(yàn)公式法和推理公式法推求設(shè)計(jì)洪峰流量。流域附近的水文觀測站有西川河棗園站（F=719 km2），西川河與南川河同為延河右岸支流，本次選擇棗園站為水文比擬法的參證站。傳統(tǒng)的計(jì)算方法不進(jìn)行分區(qū)，據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》[1]，按照黃土丘陵溝壑區(qū)分別采用洪峰流量匯水面積相關(guān)法、綜合參數(shù)法和推理公式法計(jì)算南川河流域設(shè)計(jì)洪水，50年一遇洪峰流量分別為 1737 m3/s、1164 m3/s、1624 m3/s、1710 m3/s。

自1957年開始，黃委會(huì)、延安地區(qū)水利局及陜西省水文總站等單位曾先后對(duì)延河干、支流進(jìn)行過洪水調(diào)查工作，1984年陜西省水利廳對(duì)原調(diào)查成果又進(jìn)行了重新復(fù)核、整編刊印。南川河1960年曾發(fā)生過一次洪水，據(jù)實(shí)地走訪調(diào)查，當(dāng)?shù)厝罕姺从吃撃晁螅?960年洪水位為實(shí)測值，洪峰流量852 m3/s，評(píng)價(jià)較可靠。據(jù)調(diào)查，其洪水重現(xiàn)期約為50年一遇。

用調(diào)查洪水對(duì)以上計(jì)算成果合理性進(jìn)行驗(yàn)證：從表1可以看出，上述三種方法推求的50年一遇洪峰流量為與調(diào)查洪水成果相差較大，造成誤差可能是計(jì)算方法或計(jì)算參數(shù)的選取不當(dāng)。從流域特征上進(jìn)行定性分析，南川河流域?qū)儆诨旌系孛差愋停S土丘陵溝壑區(qū)、黃土林區(qū)幾乎各占流域面積的一半；西川河棗園以上流域僅右岸小部分為疏林、草灌，多為黃土丘陵溝壑區(qū)；丘陵溝壑區(qū)黃土層深厚，植被差，土壤的蓄水能力差，因而產(chǎn)流大，而黃土林區(qū)植被好，截流大，產(chǎn)流小，產(chǎn)生的洪水也小，故丘陵溝壑區(qū)的洪峰模數(shù)較黃土林區(qū)會(huì)大很多，因此用棗園站作為參證站計(jì)算南川河洪水會(huì)偏大。同理，用經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算南川河流域洪水時(shí)，若按照黃土丘陵溝壑區(qū)計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量，顯然偏大，而按照黃土林區(qū)計(jì)算，設(shè)計(jì)成果則會(huì)偏小，本次根據(jù)南川河流域的特點(diǎn)，將流域面積劃分為兩部分：中上游為黃土林區(qū)，下游為黃土丘陵溝壑區(qū)，分別計(jì)算各分區(qū)設(shè)計(jì)洪峰流量，最后綜合分析、確定合理成果。

2 設(shè)計(jì)洪峰流量推求

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

由于流域地形、地貌及植被土壤條件不是由單一因素組成，故分別按《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》[1]丘陵溝壑區(qū)（丘陵溝壑Ⅱ區(qū)）、黃土林區(qū)計(jì)算，求二者平均值作為設(shè)計(jì)值，成果見表1。

表1 南川河經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算設(shè)計(jì)洪水成果表

2.2 推理公式法

推理公式基本公式為：

式中：Qm為洪峰流量（m3/s）；τ為流域匯流時(shí)間（h）；h為在全面匯流時(shí)代表相應(yīng)于τ時(shí)段最大凈雨，在部分匯流時(shí)代表單一洪峰的凈雨（mm）；m為經(jīng)驗(yàn)性匯流參數(shù)；L為沿主河從出口斷面至分水嶺的最長距離（km）；F為流域面積（km2）；J為河道平均比降。

丘陵溝壑區(qū)黃土層深厚，植被差，地下水埋藏深，包氣帶不可能達(dá)到飽和，其產(chǎn)流方式為“超滲產(chǎn)流”與黃土林區(qū)不同，故分別按丘陵溝壑區(qū)、黃土林區(qū)推求凈雨過程，疊加后得到全流域凈雨過程，再綜合考慮匯流參數(shù)進(jìn)行匯流計(jì)算。

2.2.1 流域暴雨量計(jì)算

表2 南川河流域暴雨量計(jì)算成果表

根據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》[1]，并參考《陜西省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》[2]，查算 1、3、6、12、24 小時(shí)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)，計(jì)算不同頻率暴雨量見表2，根據(jù)《延安實(shí)用水文手冊(cè)》[1]中24小時(shí)暴雨概化雨型進(jìn)行分配，得到面降雨過程。

2.2.2 產(chǎn)流計(jì)算

由于流域處于黃土丘陵溝壑區(qū)向梢林區(qū)過渡地帶，故采用黃土丘陵溝壑區(qū)與黃土林區(qū)兩種產(chǎn)流方式進(jìn)行計(jì)算，取兩種計(jì)算成果均值作為產(chǎn)流計(jì)算設(shè)計(jì)值。

按丘陵溝壑區(qū)產(chǎn)流計(jì)算，不同頻率凈雨深為：p=2%，h=32.1 mm；p=3.33%，h=24.5 mm。

按黃土林區(qū)產(chǎn)流計(jì)算，p=2%，h=4.4 mm；p=3.33%，h=3.6 mm。

南川河設(shè)計(jì)凈雨量采用丘陵溝壑區(qū)及黃土林區(qū)兩種方法計(jì)算結(jié)果均值：p=2%，h=18.2 mm；p=3.33%，h=14.1 mm。2.2.3 匯流計(jì)算

依《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》（SL44-2006）[3]由流域特征參數(shù)查算匯流參數(shù)m值。

南川河流域特征參數(shù)θ=L/J1/3=137，流域地處西北半干旱黃土地區(qū)，即下墊面條件屬Ⅰ類地區(qū)，故m值可取Ⅰ類地區(qū)上限2.2。

依上述計(jì)算結(jié)果代入推理公式，通過點(diǎn)繪Qm～τ與Qm～t曲線，兩曲線的交點(diǎn)即為所求的設(shè)計(jì)洪峰流量和匯流歷時(shí)，其結(jié)果如下：p=2%，Qm=940 m3/s，τ=1.77 h，p=3.33%，Qm=725 m3/s，τ=1.93 h。

3 設(shè)計(jì)洪水成果評(píng)價(jià)

3.1 與歷史調(diào)查洪水比較

表3 南川河設(shè)計(jì)洪水成果表

從表3可看出，三種方法推求的50年一遇洪峰流量為與調(diào)查洪水成果（洪峰流量852 m3/s）相差不大，說明三種方法計(jì)算成果是合理的。推理公式法和洪峰流量匯水面積相關(guān)法成果相當(dāng)，推理公式法成果與調(diào)查洪水成果更為接近，且偏安全，利于工程設(shè)計(jì)建設(shè)，因此推薦采用推理公式法成果。

3.2 從地區(qū)分布規(guī)律分析

南川河鄰近流域50年一遇設(shè)計(jì)洪水成果表見表4。

表4 南川河鄰近流域50年一遇設(shè)計(jì)洪水成果表

將鄰近流域50年一遇洪水與面積匯在雙對(duì)數(shù)圖上，呈帶狀分布，見圖1，洪水成果與鄰近流域較協(xié)調(diào)；棗園站偏離點(diǎn)據(jù)群較遠(yuǎn)，與前邊分析吻合。從洪峰模數(shù)分析，洪峰模數(shù)由北向南減少，延河干流斷面與西川河棗園、杏子河王瑤水庫洪峰模數(shù)量級(jí)相當(dāng)，南川河與云巖新市河站位于同一水文分區(qū)洪峰模數(shù)相當(dāng)，與我省陜北洪水分布規(guī)律一致。綜上，南川河洪水成果能與地區(qū)洪水成果協(xié)調(diào)。

圖1 南川河鄰近流域洪峰～面積綜合圖

4 結(jié)語

進(jìn)行水文計(jì)算時(shí)，首先要充分了解流域的水文、氣象、地形地貌和土壤植被等自然地理特點(diǎn)，這些水文因素的不同致使各流域洪水規(guī)律大不相同。本文結(jié)合流域特征綜合考慮氣候因素及下墊面等因素選取了適合該流域的洪水參數(shù)，采用多種方法進(jìn)行分析比較計(jì)算，選擇較為合適的計(jì)算結(jié)果，提高了計(jì)算結(jié)果精度，為該段河道防洪和渠道建設(shè)提供防洪理論依據(jù)，為類似復(fù)雜地貌流域的工程水文特別是洪水計(jì)算提供參考，具有推廣價(jià)值。

[1]陜西省延安地區(qū)水利水土保持局.延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)[M].1987.11.

[2]陜西省水利水土保持廳.陜西省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集[M].1983.5.

[3]SL44-2006，水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范[S].

TV122.5

B

1673-9000（2017）05-0025-02

2017-04-06

惠蕾（1986-），女，陜西藍(lán)田人，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。