晉祠灌區(qū)干渠節(jié)水改造工程場址斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

張瑞其

(太原市晉祠水利管理處，山西 太原 030025)

1 工程概況

晉祠灌區(qū)處于汾河沖積平原邊與山前傾科平原的交接地帶，北部山區(qū)有巖石露頭，灌區(qū)內(nèi)均為第四紀(jì)沖積洪積物覆蓋，風(fēng)峪湯、柳子沙河、南峪沙河等三條較大的季節(jié)性河流橫貫入汾河將灌區(qū)分割為數(shù)塊。姚村鎮(zhèn)東的柳子沙河二壩西干渠興建于二十世紀(jì)五六十年代，受制于建設(shè)時(shí)期的資金、技術(shù)水平限制，施工質(zhì)量不高，經(jīng)過數(shù)十年的運(yùn)行后，渠道淤積日益嚴(yán)重，渠身破損，很難繼續(xù)發(fā)揮正常的防滲作用。

2 工程場址斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

晉祠灌區(qū)干渠節(jié)水改造工程場址斷面為20+300～30+000，洪水計(jì)算斷面分別設(shè)置在20+800、24+442、25+560、29+935處，計(jì)算斷面代表性測站分別選取二壩、寨上、新絳、河津等站。選取晉祠灌區(qū)干渠相鄰流域的柳子沙河氣象站為工程場址洪水概算參證站。

2.1 地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法

擬建工程場址洪水資料缺乏，給設(shè)計(jì)洪水計(jì)算帶來一定難度，擬采用《工程水文及水利計(jì)算》中所提出的“洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線法”進(jìn)行調(diào)查斷面設(shè)計(jì)洪峰流量推求[1]。即利用汾河流域諸河年最大洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線歷年實(shí)測最大洪峰流量資料，計(jì)算二壩、寨上、新絳、河津等站洪峰流量模比系數(shù)，并將其經(jīng)驗(yàn)分布情況點(diǎn)繪于概率格紙，再進(jìn)行適線得出地區(qū)洪水頻率曲線。

晉祠灌區(qū)干渠設(shè)計(jì)流域的降水、徑流、下墊面條件與參證流域非常相似，只存在流域面積方面的不同，采用“中值法”確定綜合頻率曲線很可能會(huì)出現(xiàn)所謂的“均化現(xiàn)象”，為此本文采用經(jīng)驗(yàn)適線法，通過所收集的灌區(qū)干渠節(jié)水改造工程場址斷面水文資料，繪制洪峰流量模比系數(shù)地區(qū)綜合頻率曲線，具體見圖1。

圖1 各河年最大洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線

在綜合頻率曲線的基礎(chǔ)上推求場址斷面設(shè)計(jì)洪峰流量，具體按下式：

(1)

式中：QP為設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；KP為頻率為P的洪峰流量模比系數(shù)；Qd為調(diào)查歷史洪水洪峰流量，m3/s；Kd為調(diào)查洪水洪峰流量模比系數(shù)。

根據(jù)工程場址歷史洪水調(diào)查值進(jìn)行設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算，擬建防洪堤工程場址處歷史洪水洪峰流量調(diào)查值分別為8.46 m3/s、5.12 m3/s、5.38 m3/s和4.14 m3/s，調(diào)查時(shí)間為1999年～2014年，7月～8月是該灌區(qū)洪水出現(xiàn)頻率最高的時(shí)間，根據(jù)推算該項(xiàng)目區(qū)洪水考證期N=2014-1999+1=17年，頻率P=1/(16+1)=5.88，通過綜合頻率曲線查得本次調(diào)查洪水的Kd為3.50，按照此方法所推求的晉祠灌區(qū)干渠節(jié)水改造工程場址斷面設(shè)計(jì)洪峰流量成果見表1。

表1 工程場址處設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表

2.2 推理公式法

推理公式又稱合理化公式，是充分根據(jù)地區(qū)綜合分析法間接推求灌區(qū)干渠節(jié)水改造工程場址斷面設(shè)計(jì)流量的一種半理論半經(jīng)驗(yàn)算法。本文采用在工程設(shè)計(jì)中使用較廣泛的水科院法推求調(diào)查斷面設(shè)計(jì)洪峰流量。本文采用柳子沙河氣象站歷史資料，對(duì)工程場址洪水進(jìn)行概算。

2.2.1 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

因柳子沙河靠近西北山區(qū)暴雨中心帶，其特點(diǎn)是降水過程斷斷續(xù)續(xù)，降水強(qiáng)度時(shí)大時(shí)小，降水形態(tài)各有不同。暴雨分布是山區(qū)大于平原，局地性暴雨常見。不論是平水年還是豐水年，低渦、冷鋒低槽等都能造成小范圍大暴雨。從柳子沙河氣象站50 a資料系列中可以看出，本地區(qū)暴雨主要分布在5月～8月，歷時(shí)1 h且大于40 mm的暴雨僅有2次，歷時(shí)1 h且大于10 mm的大雨發(fā)生頻次為50%。

柳子沙河氣象站已有歷年連續(xù)完整的降水資料，設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算，采用5月～9月最大一日降水量序列數(shù)據(jù)，利用矩法[2]進(jìn)行其資料的概算，通過適線法進(jìn)行P-Ⅲ頻率曲線選配，最后進(jìn)行洪水系列特征值的推求。連續(xù)年最大24 h降水量經(jīng)驗(yàn)頻率按下式計(jì)算：

(2)

式中：P為5月～9月最大24 h降水量頻率；m為5月～9月最大24 h降水量排序；n為實(shí)測系列年數(shù)，取n=51。

經(jīng)P-Ⅲ頻率曲線適線，柳子沙河氣象站設(shè)計(jì)5月～9月最大24 h降水量頻率計(jì)算成果見表2。

表2 柳子沙河氣象站設(shè)計(jì)5月～9月最大24 h降水量成果表

2.2.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

(1)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算公式

推理公式法又稱合理化法，特點(diǎn)是結(jié)果給出最大流量值，公式中的損失(產(chǎn)流)參數(shù)μ、匯流參數(shù)m雖有物理意義，但不是真實(shí)的物理量。若把理想條件下的參數(shù)定量關(guān)系直接用于計(jì)算實(shí)際洪水，會(huì)導(dǎo)致較大誤差，故按照《工程水文及水利計(jì)算》提供的計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算：

QP=0.27ψ(SP/τn)F

(3)

(4)

SP=P24/n1-n

(5)

其中：QP為設(shè)計(jì)頻率P的洪峰流量，m3/s；ψ為徑流系數(shù)；SP為與頻率P所對(duì)應(yīng)的雨力，mm/h；τ為匯流時(shí)間，h；n為暴雨遞減指數(shù)；F為匯水區(qū)面積，km2；J為河道平均坡降；μ為產(chǎn)流參數(shù)。

計(jì)算中，分tc>τ全面匯流和tc<τ部分匯流兩種情況進(jìn)行洪水計(jì)算，并分別進(jìn)行所對(duì)應(yīng)暴雨指數(shù)n1、n2的試算，最終確定出洪峰流量設(shè)計(jì)值。其中，tc為產(chǎn)流歷時(shí)，按下式確定：

(6)

式中：μ為在凈雨歷時(shí)內(nèi)所發(fā)生的降水損失率均值，mm/h。

(2)主要參數(shù)

①集水面積F、主河溝長度L及平均坡降J的確定

在1∶10000比例的地形圖中繪制出灌區(qū)干渠節(jié)水改造工程各沖洪溝分水嶺，并以此為依據(jù)進(jìn)行改造工程各特征參數(shù)的量算：根據(jù)所調(diào)查洪溝斷面以上各沖洪溝所圍成的最大集水面積進(jìn)行面積F的計(jì)算，再根據(jù)各沖洪溝最遠(yuǎn)流程量確定出溝長L，比降J則通過加權(quán)平均加以確定。

②設(shè)計(jì)雨力

h24P=KH24P

(7)

③匯流系數(shù)m

表3 θ與匯流參數(shù)m值關(guān)系表

④暴雨遞減指數(shù)n1、n2

本工程場址斷面洪水計(jì)算中暴雨遞減指數(shù)采用《太原市可能最大暴雨圖集》所提供的數(shù)據(jù)，即n1=0.7；n2=0.8。

⑤平均損失率μ值

各參數(shù)數(shù)據(jù)根據(jù)本地實(shí)際情況選取，降雨均值17.5 mm、暴雨衰減指數(shù)0.68，套入式(3)～式(6)，經(jīng)試算得出工程場址調(diào)查斷面20+800、24+442、25+560、29+935的洪峰流量，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 工程場址河段設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

3 設(shè)計(jì)洪水合理性分析及其成果推薦

以上工程場址設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算，經(jīng)上述兩種方法計(jì)算不難發(fā)現(xiàn)，地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法計(jì)算成果較可靠，能滿足本次工程場址設(shè)計(jì)洪水計(jì)算要求。經(jīng)驗(yàn)公式法的最大優(yōu)點(diǎn)是，在本工程場址地區(qū)大中流域長系列洪峰流量實(shí)測資料的基礎(chǔ)上分析、綜合而最終得到區(qū)域斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果。所選取資料的可靠性以及可操作性有保證，而且也省卻了參數(shù)設(shè)定的繁瑣過程，在計(jì)算其設(shè)計(jì)洪峰流量時(shí)，充分考慮流域及河流參數(shù)，如河流集水面積、河長、縱坡、流域形狀系數(shù)、最大1日降水量等。地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式法相對(duì)繁瑣、工作量大，考慮因素要較全面，地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式法的地域針對(duì)性太強(qiáng)，部分設(shè)計(jì)參數(shù)的確定較難，對(duì)于特別小的流域精度難于保證。

基于以上對(duì)比分析，充分考慮所采用計(jì)算方法以及所選取計(jì)算參數(shù)的可靠性以及計(jì)算結(jié)果的合理性適用性，工程成本以及工程場址實(shí)際情況等，決定采用地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果(即表1)作為本次工程場址設(shè)計(jì)依據(jù)。

4 結(jié)論

通過對(duì)晉祠灌區(qū)干渠節(jié)水改造工程場址斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法及計(jì)算過程的對(duì)比分析表明，地區(qū)洪峰流量模比系數(shù)綜合頻率曲線法所求得的區(qū)域洪峰流量設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果精度和安全性更高，考慮到晉祠灌區(qū)干渠洪水類型的多樣性，干旱區(qū)域內(nèi)陸河流突發(fā)性暴雨洪水洪峰流量模數(shù)較大，其結(jié)果也更具合理性，本文所進(jìn)行的計(jì)算也是對(duì)灌區(qū)中小流域干渠節(jié)水改造工程洪水計(jì)算的有益探索。