淺析新河下游河段設計洪水計算

苗 清

（陜西省西安水文水資源勘測局，陜西 西安 710100）

1 流域概況

新河是渭河右岸一級支流，發源于西安市鄠邑區石井鎮的曲峪河村，于咸陽市秦都區馬家寨村匯入渭河。河長40.1 km，流域面積303.8 km2，平均比降8.5‰。其上游干流為潭峪河，主要支流有黃柏河、蒼龍河，在鄠邑區韓其寨村黃柏河匯入后，始稱新河，見圖1。

圖1 新河流域水系圖

新河上游潭峪河是由潭峪和曲峪匯流而成，源流為曲峪河，河長24.0 km，流域面積46.47 km2，河道平均比降36.1‰。黃柏河發源于黃柏峪后溝口，河長23.24 km，流域面積28.07 km2，河道平均比降19.4‰。蒼龍河河長29.4 km，流域面積56.1 km2，河道平均比降8.3‰，為平原區河道。新河流域按地形可劃分為上、中、下游河段，上游以環山路以南為秦嶺山區河段；環山路以北到韓其寨段為中游；韓其寨以北為新河下游河段。

2 洪水來源分析

新河流域洪水主要由暴雨和連陰雨形成，經對新河多年來洪水統計，新河下游洪水主要來源于潭峪河和黃柏河，其下游支流許家河、蒼龍河洪水量級很小，下游沙河多年已經不具備灃河分洪條件，自身基本不產流。新河中游洪水主要以上游秦嶺山區來水為主，山前平原區洪水為輔。洪峰流量多由上游山區洪水形成。

所以，計算新河下游起始斷面（潭峪河和黃柏河匯合口）設計洪水，就能代表新河下游河段設計洪水。該斷面的設計洪水，主要由潭峪河和黃柏河的洪水組成，兩河洪水又由上游山區和中游平原區兩部分組成。潭峪河山區河段以潭峪、曲峪匯合口分界，匯合口處位于馬家河村，其以上潭峪河河長10.5 km，流域面積21.58 km2，河道平均比降92.5‰；黃柏河以環山路為分界斷面，其以上山區河道河長5.74 km，流域面積12.1 km2，河道平均比降134.1‰。

3 設計洪水計算

本次計算以新河下游河段100 年一遇設計洪水為例，介紹設計洪水計算方法。

新河流域無實測水文資料，屬無資料地區。設計洪水按潭峪河、黃柏河，分山區與平原區分別進行計算，然后將各河流的山區與平原區疊加，得到本河流的設計洪水，最后再按各河流洪水的匯流時間錯峰疊加，得新河下游干流設計洪水。山區采用水文比擬法、經驗公式法、推理公式法三種方法計算；平原區采用《西安市實用水文手冊》中“第五章暴雨及城鎮暴雨”中的公式進行計算。

表1 新河各河段河流特征值表

3.1 山區段設計洪水計算

3.1.1 水文比擬法

新河無水文資料，臨近澇河澇峪口水文站以上流域與新河流域山區均為秦嶺山地，氣象、水文、地形地貌等下墊面產流條件較為相似，因此，水文比擬法以西側臨近的澇河澇峪口水文站作為參證站。澇峪口水文站設立于1943 年，本次根據澇河澇峪口水文站1944 年～2015 實測年最大洪峰流量資料系列，并加入1898 年歷史調查洪水進行頻率分析計算，并選用P-Ⅲ型曲線適線，成果見表2。

表2 澇峪口站設計洪峰流量計算成果表

以澇峪口水文站設計洪峰流量成果，計算潭峪河、黃柏河（山區）設計洪峰流量，其計算公式為：

式中：Qp為潭峪河、黃柏河山區設計流量，m3/s；Q參為參證站同頻率設計流量，m3/s；F設為潭峪河、黃柏河山區流域面積，km2；F參為參證站控制流域面積km2。

計算結果見表3。

表3 潭峪河、黃柏河（山區）設計洪水水文比擬法計算成果表

3.1.2 經驗公式法

采用《西安市實用水文手冊》提供的計算洪峰流量經驗公式：

式中：Qmp為設計頻率為 P 的年最大流量，m3/s；Kp為設計頻率為P 的經驗系數；n 為設計頻率為P 的經驗指數；F 為潭峪河、黃柏河山區流域面積，km2。計算結果見表4。

表4 潭峪河、黃柏河（山區）設計洪水經驗公式計算成果表

3.1.3 推理公式法

依據《西安市實用水文手冊》提供的方法和有關參數，由設計暴雨推求河段山區設計洪峰流量。通過設計暴雨計算產流和匯流過程，進而推求設計洪水流量。

本次根據新河下游河段以上的潭峪河、黃柏河山區河流特征，取設計暴雨歷時為6 h 進行計算。從《西安市實用水文手冊》中查出設計流域幾何形心處歷時1 h、3 h、6 h 點雨量均值Ht和變差系數CV，計算不同頻率相應的Kp值以及各頻率不同歷時的點暴雨值Htp。由于計算的流域面積小于50 km2，可以用點雨量代替面雨量；新河位于渭河南岸，不需進行流域形狀改正。按《西安市實用水文手冊》設計暴雨時程分配雨型，對流域設計暴雨進行時程分配，得出設計暴雨過程。

新河流域屬于渭河以南（Ⅱ南）區屬蓄滿產流，利用暴雨徑流相關圖，用分時段查算的方法推求產流量。推理公式法在西安市渭河以南區域內不扣除潛流，產流過程即為凈雨過程。采用《水文手冊》提供的推理公式圖解試算法進行匯流計算，按式τ=0.278L/（mJαQβ）計算Qm～τ 曲線，由產流過程用公式Q=0.278Fh/t 計算Qm～t 曲線。兩線相交點的縱、橫坐標值即為所求的地面徑流洪峰流量和匯流歷時。計算結果見表5。

表5 潭峪河、黃柏河（山區）設計洪水推理公式法計算成果表

3.2 平原區設計洪水計算

本次按《西安市實用水文手冊》中“第五章 暴雨及城鎮暴雨”中給出的公式計算平原區潭峪河、黃柏河設計洪水，公式為：

式中：Q 為設計流量，m3/s；i1為設計雨強，mm/h；F 為匯流面積，km2；φ 為徑流系數。平原區設計洪水成果見表6。

表6 潭峪河、黃柏河（平原區）設計洪水計算成果表

3.3 設計洪水合理性分析

將各種方法計算的設計洪水成果匯總，見表7。

表7 100 年一遇設計洪水洪峰流量計算成果匯總表 單位：m3/s

由表7 可知，水文比擬法和推理公式相差不大，經驗公式法計算結果最小。由于潭峪河、黃柏河山區以上集水面積與參證站集水面積相差較大，計算結果僅供參考；經驗公式法只與流域面積有關，未考慮各河流的差異。推理公式法根據流域降雨，通過產流、匯流、考慮了不同河流流域面積、河流長度、河流比降、下墊面等條件的影響，計算的設計洪水成果更為合理。潭峪河、黃柏河不同頻率設計洪水成果見表8。

表8 潭峪河、黃柏河100 年一遇設計洪水成果表

3.4 新河下游河段設計洪水計算分析

3.4.1 匯流歷時

根據前面的計算，已知潭峪河和黃柏河100 年一遇設計洪水及山區洪水的匯流歷時。考慮潭峪河和黃柏河的洪峰流量主要來源于山區洪水，本次計算將潭峪河和黃柏河100 年一遇的設計洪水，采用山區洪水匯流歷時進行五點概化，然后將潭峪河洪水從馬家河村斷面傳播至韓其寨匯合口，將黃柏河洪水從環山路斷面傳播至韓其寨匯合口，二者過程疊加作為新河下游河段處的設計洪水過程線，疊加后的洪峰流量即為新河下游河段的設計洪峰流量。根據河道匯流長度、平均流速，計算出潭峪河洪水洪峰流量從馬家河村斷面傳播到韓其寨匯合口的區間匯流時間為1.50 h，黃柏河洪水洪峰流量從環山路斷面傳播到韓其寨匯合口的區間匯流時間為3.24 h。

3.4.2 設計洪水過程推求

潭峪河洪水和黃柏河洪水均采用五點概化過程，根據《西安實用水文手冊》所提供的設計洪水過程形狀系數，計算各個特征點，各形狀系數見表9。

表9 五點概化設計洪水過程線形狀系數

潭峪河和黃柏河的洪水過程線分別加上區間匯流時間，在韓其寨匯合口錯峰疊加成果見表10 和圖2。

表10 潭峪河、黃柏河及兩者交匯后100 年一遇設計洪水過程線成果表

圖2 潭峪河、黃柏河及兩者交匯后100 年一遇設計洪水過程線

經查疊加后的設計洪水過程線圖，得新河下游河段100 年一遇設計洪峰流量為333 m3/s。

4 結語

通過對新河下游河段設計洪水進行計算，并對相應計算結果進行合理性分析，確定了該段河道100 年一遇的設計洪水流量。本文介紹的設計洪水分析計算方法，思路清晰，概念明確，符合新河洪水產匯流運動及演進規律，可以采用該方法計算出不同頻率下的設計洪水，其成果可以作為新河下游河道治理等工程設計洪水的依據。