大夏河設(shè)計(jì)洪峰流量分析

賈 玲，孫棟元，牛最榮，張德棟，鄢繼選

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

河湖是水資源主要載體和國土空間重要組成部分[1]，河道管理范圍劃定是河道管理的基礎(chǔ)，也是河道管理工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。合理的河道管理范圍劃定是有效利用水資源、維持水資源可持續(xù)發(fā)展、水生態(tài)水環(huán)境安全的必要前提，而流域設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算是河流水面線劃定的重要內(nèi)容之一。目前，國內(nèi)許多學(xué)者針對不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算做了大量工作，李偉龍等[2]研究指出設(shè)計(jì)洪峰流量是確定鐵路橋涵高程、跨度的重要指標(biāo)，都興偉等[3]研究表明洪峰流量是確定河道最大行洪能力并進(jìn)行堤線布置、護(hù)岸結(jié)構(gòu)內(nèi)容設(shè)計(jì)分析的重要依據(jù)，楊大勇等[4]研究指出設(shè)計(jì)洪峰流量是河道整治的科學(xué)依據(jù)，是河道在洪水時期安全行洪的有力保障。本文采用水文比擬法、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法和面積指數(shù)法，推求大夏河流域不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量，從而為河湖管理保護(hù)范圍劃定和河湖綜合管控提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

大夏河屬于黃河流域的一級支流[5]，流經(jīng)夏河、臨夏和東鄉(xiāng)三縣，河道全長202.9km，流域面積7154km2，于臨夏縣塔張村注入黃河劉家峽水庫。以土門關(guān)為分界，大夏河上游地處甘南高原，氣候濕冷，支流眾多，中下游地處黃土高原，溝壑縱橫，植被較差，極易發(fā)生水土流失、暴雨、泥石流、滑坡等自然災(zāi)害，兩岸亦有短小支流匯入[6]。

大夏河設(shè)有夏河水文站、雙城水文站和折橋水文站。其中，夏河水文站1960年設(shè)站，集水面積為1692km2，多年平均流量9.94m3/s，年徑流量2.85億m3，徑流深168.4mm；雙城水文站1953年設(shè)站，集水面積為6144km2，多年平均流量24.2m3/s，年徑流量7.63億m3，徑流深124.1mm。

大夏河流域地處副熱帶氣候區(qū)，上游和中下游氣候特征差別很大。大夏河上游區(qū)為甘南草原，氣候濕潤，植被良好，年降水量多，局部暴雨少，洪水多因長歷時降水形成，上游夏河縣多年平均氣溫2.7℃，多年平均降水量517.4mm；下游區(qū)植被差，多為間歇性干溝、雨量少、蒸發(fā)大、氣候干燥，容易產(chǎn)生歷時短、強(qiáng)度大的雷暴雨，中下游多年平均氣溫6.8℃，多年平均降水量630mm。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取夏河站和雙城站1953—2019年實(shí)測及調(diào)查洪峰流量系列數(shù)據(jù)為基本計(jì)算數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均來源于水文部門。

2.2 研究方法

2.2.1水文比擬法

水文比擬法是指本地區(qū)水文氣象狀況和下墊面情況相同時，把參證流域的水文資料移置到設(shè)計(jì)流域的一種方法，主要解決無資料或缺少資料的小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算問題[7- 8]。該計(jì)算方法適用于面積變化在20%以內(nèi)的流域，水文、降水資料欠缺的部分地區(qū)可適當(dāng)延長到30%以內(nèi)使用。具體公式如下：

(1)

式中，Q斷—計(jì)算斷面洪峰流量，m3/s；F斷—計(jì)算斷面以上集水面積，km2；Q參—參證斷面洪峰流量，m3/s；F參—參證斷面以上集水面積，km2。

2.2.2地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法

地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法可應(yīng)用于無水文、降水資料、以及周邊也無任何資料的區(qū)域，主要適用于各斷面面積相差不大、下墊面條件相同的洪峰流量計(jì)算。 大夏河流域面積小于6200km2，根據(jù)《甘肅省水文圖集》，其洪峰流量可按如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

Q設(shè)=q×F

(2)

q=K/F0382

(3)

式中，q—洪峰流量模數(shù)，m3/s/km2；F—設(shè)計(jì)斷面流域面積，km2；K—系數(shù)。

2.2.3面積指數(shù)法

面積指數(shù)法是根據(jù)通過洪峰及洪量面積比擬定計(jì)算公式，推求每場實(shí)測洪水洪峰洪量面積比指數(shù)n值。指數(shù)n值的大小反映上、下游鄰近參證站洪峰流量隨面積的變化關(guān)系[9]，其真實(shí)性關(guān)系到洪峰流量計(jì)算結(jié)果是否合適。該方法適用于參證站與設(shè)計(jì)站區(qū)間降水、下墊面條件與設(shè)計(jì)站流域相似時的情況。具體計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

式中，F(xiàn)1、F2—上、下游水文站集水面積，km2；Q1、Q2—上、下游水文站洪峰流量，m3/s。

3 洪峰流量計(jì)算

3.1 控制斷面布設(shè)

由于大夏河在甘南州匯入桑曲卻卡、酒昂、咯河、央曲、清水河等較大支流，將大夏河流域劃分為8處斷面進(jìn)行洪峰流量推求[10]。具體斷面特征值見表1。

表1 大夏河控制斷面的布設(shè) 單位：km2

3.2 推求洪峰流量

L22、L31、L96和L214斷面與夏河站相鄰，故水文要素和下墊面條件相似，先用矩法初估參數(shù)，將實(shí)測頻率計(jì)算和調(diào)查最大值作為特大值進(jìn)行適線，采用P—Ⅲ型曲線適線后，得夏河站洪峰流量均值為59.4m3/s，Cv=1.08，Cs/Cv取值3.5，再以夏河站為參證站，用水文比擬法計(jì)算其洪峰流量；同樣，雙城站洪峰流量均值為162.37m3/s，Cv=1.00，Cs/Cv取值3.5，L251、L288和L324斷面以雙城站為參證站，推求其洪峰流量。采用水文比擬法計(jì)算控制斷面不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量結(jié)果見表2。

表2 各控制斷面水文比擬法推求設(shè)計(jì)洪峰流量表

根據(jù)《甘肅省水文圖集》，地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的控制斷面頻率主要有2%、5%、10%，設(shè)計(jì)洪峰流量見表3。

表3 各控制斷面地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法推求設(shè)計(jì)洪峰流量表

L22、L31、L96和L214斷面與夏河站降水、下墊面條件相似，故依據(jù)夏河站，采用面積指數(shù)法推求洪峰流量；雙城水文站與斷面L251、L288和L324降水、下墊面條件相似，則以雙城站為參證站，依據(jù)面積指數(shù)法計(jì)算洪峰流量。計(jì)算時面積指數(shù)取2/3，依據(jù)夏河站、雙城站計(jì)算的控制斷面洪峰流量結(jié)果見表4。

3.3 計(jì)算結(jié)果選取與合理性驗(yàn)證

大夏河流域洪水產(chǎn)生原因主要是由暴雨形成的，洪水特性的決定性因素就是暴雨。一般發(fā)生在5—10月，來勢迅猛，峰形尖瘦，峰高量少。其中，6—9月是洪水高發(fā)期，7—8月是大洪水已發(fā)期，短歷時暴雨洪水發(fā)生時間較早，一般為每年的5—7月，長歷時暴雨洪水相對出現(xiàn)時間較晚。

經(jīng)對表5分析，水文比擬法、面積指數(shù)法與地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相差較大。流域上下游洪峰流量具有一定相關(guān)性，但大夏河流域上下游降雨、蒸發(fā)、下墊面條件和河道斷面等差異較大，故各個斷面的洪峰流量應(yīng)根據(jù)具體方法的適用條件選用。地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法是目前較為簡單的一種流量計(jì)算方式，主要利用實(shí)測和調(diào)查數(shù)據(jù)，通過面積推求洪峰流量，但使用公式需考慮流域各斷面差異性，以及流域面積限制性。由于各斷面面積差異較大，故不采用此種方法推求洪峰流量；水文比擬法主要適用于參證流域有大洪水資料，且與設(shè)計(jì)流域兩者面積相差在20%以內(nèi)[8]，L96、L214兩斷面面積與夏河站集水面積相差不大，相鄰較近，下墊面因素相似，洪水相關(guān)和洪水同步性較好，故采用水文比擬法推求的洪峰流量成果；L22、L31與夏河站距離較近，降水和下墊面條件相似，故采用面積指數(shù)法成果。同樣的，L251、L288、L324與雙城站距離較近，降水和下墊面條件相似，也采用面積指數(shù)法成果。各控制斷面設(shè)計(jì)洪峰流量成果見表6。

表4 各控制斷面面積指數(shù)法推求設(shè)計(jì)洪峰流量表

表5 各方法計(jì)算的選定控制斷面設(shè)計(jì)洪峰流量對照表

由歷史洪水調(diào)查和實(shí)測洪峰流量資料知，夏河站實(shí)測最大洪水洪峰流量為2016年的181m3/s，調(diào)查最大洪峰流量為1935年的443m3/s，雙城站實(shí)測最大洪水洪峰流量是1955年的576m3/s，調(diào)查最大洪峰流量為1904年的1140m3/s。面積指數(shù)法計(jì)算的L22控制斷面100年一遇與夏河站2016年實(shí)測最大洪峰流量181m3/s比較分析，相差16.6m3/s，計(jì)算的100年一遇比實(shí)測值多8.4%；水文比擬法計(jì)算的L214控制斷面百年一遇與夏河站1935年調(diào)查洪峰流量443m3/s比較分析，相差22.7m3/s，計(jì)算的百年一遇比調(diào)查值少5.4%；面積指數(shù)法計(jì)算的K324控制斷面(流域出口斷面)50年一遇洪峰流量與雙城站1955年實(shí)測最大洪水洪峰流量576m3/s比較分析，相差59.6m3/s，計(jì)算的50年一遇比調(diào)查值多9.4%，綜合分析以上計(jì)算結(jié)果，說明各控制斷面洪峰流量成果合理性較好。

表6 大夏河劃界河段不同頻率洪峰流量成果表 單位：m3/s

4 結(jié)語

不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算是水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、防洪減災(zāi)規(guī)劃的核心技術(shù)環(huán)節(jié)。隨著全國河湖管理范圍劃定工作大力推動，推求洪峰流量又重新成為諸多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。本文采用67年的徑流系列資料，假設(shè)洪水序列具有相對一致性，使用水文比擬法、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法和面積指數(shù)法，推求不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量，經(jīng)過綜合分析，L96、L214兩斷面采用水文比擬法成果，L22、L31依據(jù)夏河站采用面積指數(shù)法成果，L251、L288、L324依據(jù)雙城站采用面積指數(shù)法成果。計(jì)算過程中，綜合考慮了斷面面積、降水、徑流等因素的多重影響，成果相對比較合理。隨著全球氣候變化和人類活動對下墊面條件的改變，導(dǎo)致洪水形成條件發(fā)生變化，使得洪水系列不再滿足一致性要求。在未來洪峰流量計(jì)算研究中，為了得到更準(zhǔn)確的計(jì)算成果，應(yīng)尋求合理的方法推求變化條件下的設(shè)計(jì)洪峰流量，為流域規(guī)劃、水利工程設(shè)計(jì)及防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)，同時為河湖管理范圍劃定提供技術(shù)支撐。