河道系統治理設計洪水計算分析

柯帥

(信陽市水利勘測設計院，河南 信陽 464000)

0 引言

在河道治理防洪設計過程中，設計洪水計算是必不可少的，其結果為河道斷面尺寸擬定、建筑物布置、岸坡防護等各項參數的確定提供依據，正確與否對整個項目影響甚大，重要性不言而喻。不同于水庫設計洪水計算時一個點的計算，河道系統治理需要對一條河從河源至入河口的整條河道進行設計洪水計算。由于河道水面線的推求一般采用河道分段恒定非均勻流方法，河道的設計流量相應地根據沿流程支流匯入的情況分段給出，匯總各段河道的設計流量得到整條河的設計流量。設計流量的計算根據河道所在流域及臨近流域的水文資料，采取不同的計算方法對計算結果進行合理性分析，上下游的流量成果要協調一致。文章以信陽市白露河系統治理設計流量為例，對其設計流量的計算過程進行了梳理，可對其他河道系統治理起到借鑒作用。

1 概述

1.1 流域概況

白露河位于信陽市境內，是淮河右岸一級支流；發源于大別山北麓的新縣沙窩鄉小界嶺，流經新縣、商城、光山、潢川、固始，至淮濱谷堆鄉吳寨村入淮河；干流全長145 km，流域面積2 238 km2。流域地貌單元依次為山區、淺山丘陵區、隴崗沖積平畈，地勢西南部高，東北低。流域北面為淮河干流，南部與長江流域接壤，東、西側分別與淮河支流史灌河、潢河相鄰。白露河支流眾多，長度≥20 km，流域面積≥100 km2的支流有6條，按從上游往下游的順序分別為小汪河、兩河口河、螞蟻河、紫泥河、春河及期思河。

1.2 水利工程概況

白露河流域內有雙輪河大(2)型水閘1座，大石橋、兔子湖中型水庫2座。雙輪河水閘控制流域面積325 km2，無洪水調蓄功能，僅非汛期期間抬高水位以滿足自流灌溉；大石橋水庫控制流域面積7.40 km2，總庫容1 172萬m3；兔子湖控制流域面積50.80 km2，總庫容1 962萬m3。

1.3 暴雨洪水特性

流域內降雨量的年際和年內分配很不均勻。一年之內，夏季降雨較多，暴雨多發生在6—8月，以7月份為最多。在年際之間，年降雨量的比值可達3倍以上，并經常出現連旱年和連澇年。產生暴雨的天氣系統以冷鋒、氣旋波和低渦為主。流域內洪水由暴雨形成，由于降雨時空分布不均，且又在山區向平原急劇過渡地帶，坡降大，流程短，集流快，因此洪水預見期短，突發性強，河道宣泄不及，水位抬高。

1.4 測站概況

白露河干流從20世紀50年代以來先后設立的有雙輪河、雙柳樹、白雀園、北廟集4個河道水文站。雙輪河水文站于1952年5月設置，集水面積350 km2，測驗項目有：水位、流量、降雨、蒸發等項目，觀測至1960年。以后水文站移至下游8.30 km處的雙柳樹鎮，其集水面積497 km2，觀測至1966年。白雀園水文站設立于1974年，集水面積284 km2，觀測至2003年，經審查整編刊印成冊，具有一定的精度。另調查了白露河歷史洪水，供設計時使用。根據白露河已有水文站點資料情況及設計洪水批復情況，采用直接法分別對白雀園站及北廟集站洪水進行計算，其余河道控制斷面設計洪水根據實際情況分別選用比擬法、內插法、推理公式法確定。

2 設計洪水計算分析

2.1 白雀園站設計洪水

2009年做白露河上雙輪河水閘安全鑒定時曾計算過白雀園站設計洪水，計算方法為直接法，洪水系列為1952—2009年，并考慮了1903、1930年歷史洪水。此次仍采用直接法，并將2009年洪水系列延長到2017年。

2.1.1 洪水資料分析處理

白雀園站實測洪水資料系列為1975—2003年，共計29 a。為增強系列代表性，提高設計洪水計算精度，插補延長水文系列為1952—2017年。1952—1966年水文系列根據上下游測站的洪水按流域面積比的0.75次方插補延長。

以雙輪河水文站作為參證測站，其集水面積F=350 km2，位于白雀園站(F=284 km2)下游17.70 km處，有1952—1960年水文資料，1961后水文站移至下游8.30 km處的雙柳樹鎮，其集水面積497 km2，有1961—1966年水文資料，根據2站址洪水資料插補延長白雀園站系列。按面積比擬法移用于白雀園站時面積指數取0.75，水文系列為1952—1966年。

1967—1974年及2004—2017年水文系列利用鄰近流域潑河水文站的洪水特征值相關關系插補延長。鄰近流域潑河水庫有較長實測資料，由《潑河水庫水文復核報告》可得潑河水庫實測洪峰系列為1952—2003年，此次延長至2017年；潑河水庫與白雀園站有1975—2003年的同步觀測資料，通過潑河站與白雀園站洪峰流量的相關系數計算，得相關系數為0.90>0.80，兩者線性相關關系較好；且通過查閱《河南省水資源》(2007年)可知，潑河水庫與白雀園站年均降雨量基本相等，年徑流量也基本相等，兩者產匯流條件相似，可以潑河水庫洪峰流量系列插補延長白雀園站洪峰流量系列，關系式為：Q白雀園=1.07Q潑河+30.72。據此相關關系式，由1967—1974年及2004—2017年潑河水庫洪水資料插補延長白雀園站洪水資料。

2.1.2 頻率分析

頻率曲線統計參數采用矩法初估，根據《水利水電工程設計洪水設計規范》SL44-2006規定，洪峰包括1903年、1930年調查洪水及1952—2017年實測洪水的不連序系列，用不連序系列公式計算統計參數。頻率曲線線型采用皮爾遜Ⅲ型曲線，均值采用計算值，變差系數Cv和偏態系數Cs根據目估適線選用。白雀園站洪峰頻率適線成果見表1。

表1 白雀園站設計洪水成果表

2.1.3 設計洪水比較及選用

此次設計洪水復核與2009年雙輪河水閘安全鑒定時計算白雀園站設計洪水成果比較情況見表2。

表2 白雀園站設計洪水歷史成果比較表

此次設計，資料系列延長到66 a，符合規范要求，并且考慮了1903年、1930年的歷史洪水，代表性、合理性較好。與2009年雙輪河水閘安全鑒定時計算白雀園站設計洪水成果相比，由于系列年限加長，且近年洪水較小，所以均值略有變小，各頻率設計洪水減小5.43%。從防洪安全的角度考慮，此次仍采用2009年設計洪水成果，見表2。

2.1.4 設計洪水成果合理性分析

白雀園站設計洪水計算成果與鄰近流域水庫的成果比較見表3。由表3可見，白雀園站與潑河水庫的洪峰模數相等，比石山口、鲇魚山等的洪峰模數稍小，這與暴雨中心的分布規律是一致的?？偟膩砜?，此次設計洪水成果是合理的，可作為河道整治的設計依據。

表3 白雀園站設計洪水與鄰近水庫設計洪水成果對比表

2.2 北廟集站洪水

白露河中下游河段設計洪水曾進行過計算，河南省水利廳及淮委在不同時期對設計洪水成果進行了批復；2016年11月，信陽市水利勘測設計院編制完成的《固始縣白露河黃崗至周寨(下)段治理工程初步設計報告(報批本)》對治理段洪水進行了復核，方法采用淮上法，計算成果與以往已批復洪水成果進行了比較后仍采用原批復成果；此次收集了北廟集水文站的洪水系列，采用直接法及比擬法2種方法對北廟集站設計洪水進行了復核。

2.2.1 洪水系列(直接法)

北廟集站實測洪水資料系列為1951—2017年，共計66 a，其中1951—1961年及2003—2017年觀測有水位、流量資料，其余年份僅觀測有水位數據，無流量資料，1951—1961年洪水資料由于水文站控制性不好，不予采用。根據2003—2017年實測歷年最大水位、流量資料，繪制流量～水位關系曲線圖，再由1962—2002歷年最大水位查算各年洪峰流量，得北廟集站插補延長后的1962—2017年洪峰流量系列。

2.2.2 頻率分析

頻率曲線統計參數采用矩法初估，根據《水利水電工程設計洪水設計規范》SL44-2006規定，用連序系列公式計算統計參數。頻率曲線線型采用皮爾遜Ⅲ型曲線，均值采用計算值，變差系數Cv和偏態系數Cs根據目估適線選用。北廟集站洪峰頻率適線成果見表4。

表4 北廟集站設計洪水計算成果表(直接法)

2.2.3 間接法

治理段小河灣斷面處控制流域面積1 996 km2，此次將其淮上法計算成果按面積比的0.75次方轉換為北廟集站洪水，計算結果見表5。

表5 北廟集站設計洪水計算成果表(比擬法)

2.2.4 北廟集站設計洪水合理性分析及選用

北廟集站2種計算方法的結果與已批復的成果比較情況見表6。

表6 北廟集站兩種方法計算成果與批復成果對比表

根據表6可知，直接法計算成果與2000年批復成果相比，5 a一遇大9.66%，10 a一遇小8.10%，20 a一遇小20.51%；比擬法計算成果與2000年批復成果相比，5 a一遇小3.44%，10 a一遇小10.70%，20 a一遇小19.78%；從工程防洪安全考慮，并保持設計洪水成果的一致性，此次北廟集站設計洪水仍采用2000年淮委批復成果，見表7。

表7 北廟集站設計洪水采用成果表

2.3 其他控制斷面設計洪水

各控制斷面根據支流匯入及河段擬實施工程情況，選取了雙輪河閘、春河口上口、分洪道口上口、期思河口上口、紫泥河口上口、螞蟻河口上口、兩河口上口、小汪河口上口、熊河口上口，采用不同的方法計算其設計洪水。

2.3.1 雙輪河閘設計洪水

由于雙輪河閘在白雀園站下游不遠，且兩站控制流域面積相差不大，其設計洪水利用白雀園站面積比的0.75次方計算。

2.3.2 春河口上口設計洪水

計算方法同雙輪河閘，參證站為尤廟控制斷面，計算出春河口上口3、5、10、20 a各重現期設計洪峰流量。

2.3.3 分洪道口上口、期思河口上口設計洪水

以北廟集站、入淮口為控制節點，做流量～面積的雙對數曲線，內插分洪道口、期思河口上口處設計洪水。

2.3.4 紫泥河口上口、螞蟻河口上口、兩河口上口設計洪水

以雙輪河閘、春河口上口為控制節點，做流量～面積的雙對數曲線，內插區間各控制斷面處設計洪水。

2.3.5 小汪河口上口、熊河口上口設計洪水

量取流域面積、河道長度、河道比降等流域特征值，采用推理公式法計算，并經合理性分析后采用。

2.4 設計洪水的匯總

將前述干流各控制斷面設計洪水成果匯總見表8。

表8 白露河干流各控制斷面設計洪水采用成果表

3 結論

條件允許時，盡量采用實測水文資料計算設計洪水；采用實測資料進行設計洪水分析時，資料系列的年限應>30 a，有條件時應延長至最新年份，經分析后合理采用；對于設計洪水計算結果應進行合理性分析，可利用本流域或鄰近流域參證站已批復設計洪水成果，經充分比較后采用。各控制斷面設計洪水上下游應保持協調，在沒有調蓄能力大的水利工程時，一般由上至下逐漸變大，不要出現上大下小的情況。