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小流域截洪溝洪峰流量計算方法研究與比較

2018-11-13 10:24:04陳萌翁朝暉范楊臻余明輝魏紅艷
南水北調與水利科技 2018年3期

陳萌 翁朝暉 范楊臻 余明輝 魏紅艷

摘要:截洪溝洪峰流量是截洪溝設計的重要參數。通過工程實例分析比較三種截洪溝洪峰流量計算方法,研究了降雨歷時、山洪容重和重現期對三種方法洪峰流量的影響,并分析了各方法主要影響因素的顯著程度。結果表明,對于工程實例,方法1(水土保持工程設計規范)和方法3(室外排水設計規范)的結果較接近,更偏安全。洪峰流量隨降雨歷時的增大逐漸減小,兩者呈冪函數關系;洪峰流量隨山洪容重的增大而增大,兩者基本呈指數函數關系;洪峰流量隨重現期的增大基本呈對數增長趨勢。方法1和方法3各因素的影響程度從大到小排序為匯流面積>降雨歷時>徑流系數>重現期;方法2(開發建設項目水土保持技術規范)各因素的影響程度從大到小排序為匯流面積>徑流系數>重現期>高含沙山洪容重。

關鍵詞:截洪溝;洪峰流量;降雨歷時;重現期;山洪容重;徑流系數;匯流面積

中圖分類號:TV122文獻標志碼:A文章編號:16721683(2018)03005108

Study and comparison of calculation methods for flood peak discharge of cutoff ditch in small watershed

CHEN Meng1,WENG Zhaohui1,FAN Yangzhen2,3,YU Minghui2,WEI Hongyan2

(1.Hubei Provincial Water Resources and Hydropower Planning Survey and Design Institute, Wuhan 430064,China;

2.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science,Wuhan University,Wuhan

430072, China;3.Hubei Water Resources Research Institute, Wuhan 430070,China)

Abstract:The flood peak discharge of a cutoff ditch is an important parameter in cutoff ditch design.In this paper,we compared three calculation methods for flood peak discharge of cutoff ditches based on a project case.We studied the influence of rainfall duration,unit weight of torrential flood,and recurrence interval on flood peak discharge,and analyzed the significance degree of the influence factors.It was found that Method 1 (Code for design of soil and water conservation projects) and Method 3 (Code for design of outdoor drainage projects) had similar results for the project case and both leaned towards safety.The flood peak discharge would gradually decrease with the increase of rainfall duration,with a power function relation between them.The peak discharge would increase with the increase of unit weight of torrential flood,with an exponential function relation between them.The peak discharge showed a trend of logarithmic growth with the increase of recurrence interval.Catchment area had the largest influence on flood peak discharge for Methods 1 and 3,followed by rainfall duration and runoff coefficient,while the influence of recurrence interval on flood peak discharge was the smallest. Catchment area had the largest influence on flood peak discharge for Method 2 (Technical code on soil and water conservation of development and construction projects),followed by runoff coefficient and recurrence interval,while the influence of unit weight of torrential flood on flood peak discharge was the smallest for Method 2.

Key words:cutoff ditch;peak discharge;rainfall duration;recurrence interval;unit weight of torrential flood;runoff coefficient;catchment area

截洪溝是為了攔截排水地區坡面上部的徑流而修建的排水溝道,用來保護某一地區或某項工程免受洪水造成的漬澇和沖刷。截洪溝的設計流量是一個重要的參數,它是確定截洪溝斷面尺寸的重要依據。由于截洪溝的洪水流量過程線一般峰高量小,歷時短,因此,可采用洪峰流量作為截洪溝的設計流量[1]。

受降雨強度、地表粗糙度、山坡坡度、土壤結構等因素的影響,坡面產匯流是一個極為復雜的過程[26]。因此,小流域截洪溝洪峰流量的計算方法較多,水利、市政、交通、水保等部門的相關規范以及地方標準中均有常用的推薦方法[715]。劉俊萍等[16]針對三個級別匯流面積的小流域截洪溝,比較了室外排水手冊——雨水流量公式法和公路科學研究院經驗公式法。鄭佳重等[17]比較了中國水利水電科學研究院水文研究所公式法(簡稱推理公式法)、中國公路科學研究所經驗公式法(簡稱經驗公式法)和《安徽省暴雨參數等值線圖、山丘區產匯流分析成果和山丘區中、小面積設計洪水計算辦法》(簡稱“84辦法”),得出“84辦法”在洪峰流量計算中的應用是合理可行的。以上研究比較了市政部門的雨水流量公式法、公路科學研究院經驗公式法以及地方標準中的方法,而未涉及水保部門推薦的方法。鐘鳴輝[18]比較了水土保持規范中的兩種計算方法,但僅考慮的是清水洪峰流量,未考慮高含沙山洪容重的影響,且未與其它部門常采用的方法進行比較。本文通過實例計算對水保部門常采用的水土保持工程設計規范中的方法(方法1)、開發建設項目水土保持技術規范中的方法(方法2)以及市政部門常采用的室外排水設計規范中的方法(方法3)進行比較,并分析降雨歷時、山洪容重和重現期對截洪溝洪峰流量的影響規律以及各因素影響的顯著程度,為截洪溝的合理設計提供思路和參考。

第16卷 總第96期·南水北調與水利科技·2018年6月陳萌等·小流域截洪溝洪峰流量計算方法研究與比較1研究方法

本文首先通過工程實例,分別按照《水土保持工程設計規范》、《開發建設項目水土保持技術規范》和《室外排水設計規范》進行計算,并對三種方法的計算結果進行比較。其次,分析研究降雨歷時對流量的影響,分別選取降雨歷時為5、20、40、60、90和120 min進行分析;分析研究洪水容重對流量的影響,分別選取高含沙山洪容重為11、12、13、14和15 t/m3進行分析;分析研究重現期對三種方法流量的影響,分別選取重現期為3、5、10、15、20、30、50和100年進行分析。最后,通過SPSS軟件,分析和比較各方法的影響因素對截洪溝洪峰流量影響的顯著程度。下面先對幾種方法進行介紹。

1.1方法1

依據《水土保持工程設計規范》(GB 51018-2014),永久截洪溝設計排水流量按下式計算[19]。

Qm =1667φqF(1)

式中:Qm為設計洪峰流量(m3/s);φ為徑流系數;q為設計重現期和降雨歷時內的平均降雨強度(mm/min);F為山坡集水面積(km2)。

當缺乏自記雨量計資料時,可采用查降雨強度表法,利用標準降雨強度等值線圖和有關轉換系數進行計算,具體見式(2)。

q=CpCtq5,10(2)

式中:q5,10為5年重現期和10 min降雨歷時的標準降雨強度,可按工程所在地區,查中國5年一遇10 min降雨強度q5,10等值線圖(mm/min);Cp為重現期轉換系數,為設計重現期降雨強度qp同標準重現期降雨強度q5的比值(qp/q5),按工程所在地區查表確定;Ct為降雨歷時轉換系數,為降雨歷時t的降雨強度qt同10 min降雨歷時的降雨強度q10的比值(qt/q10),先查我國60 min降雨強度轉換系數等值線圖(C60),再按工程所在地區的60 min轉換系數(C60)查表取值。其中,降雨歷時t為匯水區最遠點到排水設施處的坡面匯流歷時t1與溝管匯流歷時t2之和(min)。

坡面匯流歷時t1可按下式計算:

t1=1.445m1Lsis0.467(3)

式中:Ls為坡面流的長度(m);is為坡面流的坡降,以小數計;m1為地面粗糙系數,可按地表情況確定。

溝管匯流時間t2按下式計算:

t2=∑ni=1li60vi(4)

式中:n和i為分段數和分段序號;li為第i段的長度(m);vi為第i段的平均流速(m/s)。

溝管的平均流速v(m/s)可按下式計算[20]:

v=1nR2/3I1/2(5)

式中:n為溝管壁的粗糙系數;R為水力半徑(m),R=A/χ,χ為過水斷面濕周(m);I為水力坡度,可取溝管的底坡(以小數計)。

1.2方法2

依據《開發建設項目水土保持技術規范》(GB 50433-2008)進行計算[21]。首先按公式(6)計算清水洪峰流量。

QB=0.278k·i·F(6)

式中:QB最大清水流量(m3/s);k為徑流系數;i為平均1 h降雨強度(mm/h);F為山坡集水面積(km2)。

然后采用公式(7)和(8)計算高含沙洪峰流量。

QS=QB(1+φ)(7)

φ=rc-1rh-rc(8)

式中:QS為高含沙洪水洪峰流量(m3/s);QB為最大清水流量(m3/s);φ為修正系數;rc為高含沙山洪容重,一般為11~15 t/m3;rh為高含沙山洪中固體物質容重,取265 t/m3。

1.3方法3

依據《室外排水設計規范》(GB 50014-2006)(2014年版)進行計算[22]。

Q=Ψ·q·F(9)

式中:Q為雨水設計流量(L/s);Ψ為徑流系數;q為設計暴雨強度(L/(s·hm2));F為匯水面積(hm2)。

式(9)中設計暴雨強度q采用下式計算:

q=167A1(1+ClgP)(t+b)n(10)

式中:A1為在重現期下的設計降雨的雨力;C為雨力變動系數,是反映設計降雨各歷時不同重現期的強度變化程度的參數之一;P為重現期(a);t為降雨歷時(min),計算方法同11節相關公式;b為參數。

2實例分析

某工程區位于湖北省武漢市,匯流面積約019 km2,防洪排水標準為10年一遇[2324]。根據《水利水電工程水土保持技術規范》(SL 575-2012)[25],陡峻的山地徑流系數一般為075~09,計算時取08。截洪溝長約156 km。坡面流的坡降取有代表性山坡坡度的算術平均值,約為054。

2.1設計暴雨計算

截排水工程應按短歷時設計暴雨計算設計排水流量,截洪溝排水流量采用1 h雨量進行計算。采用湖北省水文水資源局2008年編制的《湖北省暴雨統計參數圖集》成果,工程區最大1 h點雨量的均值i=458 mm,變差系數Cv=041,偏態系數Cs取35Cv。根據Cv和Cs查表可得不同頻率下最大1 h降雨量見表1,其中10年、20年、50年、100年一遇最大1 h降雨量分別為708 mm、823 mm、969 mm和1076 mm。工程區面積較小,可用點暴雨代替面雨量,故不作設計暴雨的點面折減。

重現期/年100503020151053頻率(%)123.356.7102033.3降雨量/mm107.696.988.882.377.670.859.049.62.2暴雨強度計算

根據武漢市排水防澇系統規劃設計標準,武漢市短歷時暴雨的暴雨強度應采用下式計算:

q=885[1+1.58lg(P+0.66)](t+6.37)0.604

(P=0.5~10年)(11)

q=577(1+0.96lgP)(t+2.26)0.432(P=10~50年)(12)

q=1057(t-0.57)0.317(P=100年)(13)

式中:q為設計暴雨強度L/(s·hm2);P為重現期(年);t為降雨歷時(min)。

2.3結果與分析

2.3.1方法1

方法1中,降雨歷時包括坡面匯流歷時和溝管內匯流歷時兩部分。由于溝管內匯流歷時需在截洪溝過水斷面確定后,根據流速計算得到。然而,此時截洪溝設計流量尚未確定,無法設計過水斷面。因此,需進行試算。先假設溝管內匯流歷時t2,計算總匯流歷時t,確定截洪溝的設計流量和斷面尺寸;再根據斷面尺寸,按曼寧公式計算溝管內的平均流速,進而重新計算匯流歷時。將計算得到的匯流歷時和假設的匯流歷時進行比較,如果兩者相差較大,則需重新假設進行計算。經試算得到10年一遇標準下,截洪溝的設計洪峰流量約為405 m3/s。

2.3.2方法2

由2.1節可知,10年一遇1 h降雨強度為708 mm,即i=708 mm/h。根據方法2,計算得到10年一遇設計標準下,截洪溝的清水洪峰流量約為3 m3/s。高含沙山洪容重為12 t/m3時,高含沙洪峰流量約為341 m3/s。

2.3.3方法3

經計算,10年一遇設計暴雨強度q為26783 L/(s·hm2),截洪溝的設計洪峰流量為407 m3/s。

2.3.4三種方法比較

通過對上述三種方法的結果進行比較,可以得出10年一遇設計標準下,根據方法2《開發建設項目水土保持技術規范》計算得到的洪峰流量最小,根據方法1《水土保持工程設計規范》和方法3《室外排水設計規范》計算得到的洪峰流量較方法2大。方法1和方法3的結果較為接近,約是方法2的12倍。因此,對于該工程來說,采用方法1和方法3計算得到的洪峰流量更偏安全。

3影響因素對洪峰流量的影響分析

3.1降雨歷時對流量的影響

為了研究降雨歷時對流量的影響,分別取降雨歷時為5、20、40、60、90和120 min進行分析。不同降雨歷時下,根據方法1和方法3計算得到的洪峰流量Q1和Q3如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可知:洪峰流量隨降雨歷時的增大逐漸減小,兩者呈冪函數關系。當降雨歷時小于60 min時,降雨歷時對流量的影響較大;當降雨歷時大于60 min時,降雨歷時對流量的影響減弱。洪峰流量Q1與降雨歷時的關系可由式(14)-式(17)表示,洪峰流量Q3與降雨歷時的關系可由式(18)-式(22)表示,決定系數均在099以上,擬合效果良好。

Q1=12.421(1+t)-0.453 (T=3年) (R2=0.991)(14)

Q1=14.443(1+t)-0.453 (T=5年) (R2=0.991)(15)

Q1=16.898(1+t)-0.453 (T=10年) (R2=0.991) (16)

Q1=18.342(1+t)-0.453 (T=15年) (R2=0.991)(17)

Q3=15.628(1+t)-0.459 (T=5年) (R2=0.994)(18)

Q3=15.026(1+t)-0.401 (T=10年) (R2=0.999)(19)

Q3=17.241(1+t)-0.401 (T=20年) (R2=0.999)(20)

Q3=20.169(1+t)-0.401 (T=50年) (R2=0.999)(21)

Q3=18.780(1+t)-0.353 (T=100年) (R2=0.999) (22)

3.2高含沙山洪容重對流量的影響

為了比較不同高含沙山洪容重對洪峰流量的影響,分別取山洪容重為11、12、13、14和15 t/m3進行比較。根據方法2計算得到的高含沙洪峰流量與高含沙山洪容重的關系見圖3。

由圖3可知:不同重現期下,洪峰流量均隨山洪容重的增大而增大,兩者呈指數函數關系。洪峰流量與山洪容重的關系可由式(23)-式(27)表示,決定系數均在099以上,擬合效果良好。

Q2高含沙=1.533+0.215·exp(1.5·rc)

(T=5年) (R2=0.999)(23)

Q2高含沙=1.840+0.258·exp(1.5·rc)

(T=10年)(R2=0.999)(24)

Q2高含沙=2.139+0.3·exp(1.5·rc)

(T=20年) (R2=0.999)(25)

Q2高含沙=2.518+0.354·exp(1.5·rc)

(T=50年) (R2=0.999)(26)

Q2高含沙=2.796+0.393·exp(1.5·rc)

(T=100年) (R2=0.999)(27)

3.3重現期對流量的影響

為了研究重現期對流量的影響,分別選取重現期為3、5、10、15、20、30、50和100年進行分析。由于相關規范僅給出了3、5、10和15年一遇的重現期轉換系數,因此方法1僅計算了重現期為3、5、10和15年一遇的情況。根據方法2計算的流量分清水流量和高含沙洪水流量兩種情況,此處僅以高含沙山洪容重12 t/m3為例來計算高含沙洪水洪峰流量。將幾種方法計算得到的洪峰流量Q與重現期T的關系繪于圖4,由圖4可知:洪峰流量隨重現期的增大基本呈對數增長趨勢。當重現期小于50年時,重現期對流量的影響較大;當重現期大于50年時,重現期對流量的影響減弱。

洪峰流量和重現期的具體關系可用式(28)-式(31)表達,決定系數均在099以上,擬合效果良好。

Q1=2.2+0.822Ln(T-0.582)

(R2=0.999)(28)

Q2清水=1.528+0.658Ln(T-0.614)

(R2=0.999) (29)

Q2高含沙=1.738+0.749Ln(T-0.614)

(R2=0.999) (30)

Q3=2.389+0.77Ln(T-0.874)

(R2=0.995) (31)

式中:Q1、Q2清水、Q2高含沙、Q3分別表示方法1、方法2清水、方法2高含沙水流和方法3的洪峰流量。

為了對比重現期對三種方法流量的影響,將不同重現期下,三種方法計算得到的截洪溝洪峰流量列于表2。相同重現期下,根據方法2計算得到的流量與山洪容重有關。因此,表中分別給出了清水洪峰流量、山洪容重為11 t/m3、13 t/m3和15 t/m3幾種情況的結果。

3.753.994.585.385.0350-4.14.365.015.885.49100-4.554.845.566.535.84由表2可知,使用方法2依據《開發建設項目水土保持技術規范》,當高含沙山洪容重為15 t/m3時,高含沙洪水洪峰流量最大;根據該方法計算得到的清水洪峰流量最小;使用方法1根據《水土保持工程設計規范》和使用方法3根據《室外排水設計規范》計算得到的洪峰流量介于兩者之間。方法3的結果略大于方法1,但總體來說差別不大。當山洪容重較小時,根據方法2計算得到的高含沙洪峰流量小于方法1和方法3;當山洪容重較大時,根據方法2計算得到的高含沙洪峰流量大于方法1和方法3。即存在一個臨界山洪容重,當實際山洪容重大于臨界值時,推薦使用方法2;當實際山洪容重小于臨界值時,推薦使用方法1和方法3。

以方法3的計算結果為基礎,分析其它方法相對該方法的大小關系,詳見表3。由表3可知,方法1比方法3的結果小04%~22%。方法2的清水洪峰流量比方法3的結果小221%~298%;當高含沙山洪容重為11 t/m3時,使用方法2計算的高含沙洪峰流量比方法3的結果小171%~253%;當高含沙山洪容重為13 t/m3時,使用方法2計算的高含沙洪峰流量比方法3的結果小48%~142%;當高含沙山洪容重為15 t/m3時,使用方法2計算的高含沙洪峰流量比方法3的結果大07%~118%。此外,當洪水近似為清水以及山洪容重為11、13 t/m3時,隨著重現期的增大,方法2與方法3結果的差距呈逐漸減小的趨勢;當高含沙山洪容重為15 t/m3時,隨著重現期的增大,方法2與方法3結果的差距呈逐漸增大的趨勢。

4影響因素顯著程度分析

影響截洪溝洪峰流量的主要因素有徑流系數、重現期、降雨歷時、匯流面積、高含沙山洪容重等。采用SPSS統計軟件進行方差分析,研究不同因素對截洪溝設計流量的影響程度。三種方法的影響因素及因素水平見表4-表6所示。各因素水平分別為:徑流系數取03、05、07和09;設計重現期取3、5、10、15、20、30、50和100年;匯流面積取01、02、04和08 km2,山洪容重取11、12、13、14和15 t/m3;降雨歷時取5、20、60、90和120 min。

(2)洪峰流量隨降雨歷時的增大逐漸減小,兩者呈冪函數關系。當降雨歷時小于60 min時,降雨歷時對流量的影響較大;當降雨歷時大于60 min時,降雨歷時對流量的影響減弱。洪峰流量隨山洪容重的增大而增大,兩者基本呈指數函數關系。洪峰流量隨重現期的增大基本呈對數趨勢增長,當重現期小于50年時,重現期對流量的影響較大;當重現期大于50年時,重現期對流量的影響減弱。

(3)方法3的結果略大于方法1,總體來說較為接近;方法2計算得到的清水洪峰流量最小,方法2計算得到的高含沙洪水流量與方法1、3的相對大小關系與山洪容重有關。

(4)對于方法1和方法3,匯流面積對截洪溝洪峰流量的影響最顯著,降雨歷時次之,接著是徑流系數,重現期對流量的影響最弱。對于方法2,匯流面積對流量的影響最顯著,徑流系數次之,接著是重現期,高含沙山洪容重對流量的影響最弱。

(5)本文的成果為其它截洪溝工程的科學合理設計提供方法和思路。由于截洪溝洪峰流量的影響因素眾多且較為復雜,因此,本文的結論對于其它區域的適用性以及不同參數、不同地區對結論影響的規律有待進一步研究。

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