多種計算在西北城市防洪工程設計洪水中的對比研究

包璐華

(江蘇省常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州 213000)

1 概述

某研究區域，遠離海洋，高山環繞，是典型的內陸干旱區。水資源以冰川融水、地表徑流、地下徑流等不同形態存在，多年平均降水量342 mm(1954-2015年)，降水主要發生在夏季(6-8月)，夏季降水量區間大多位于20～60 mm之間[1]。東西兩側為低山丘陵區，分布有大小15條山洪溝。這些山洪溝植被稀少，集水面積多在幾十平方公里以下，平時大多沒有徑流，但常發生春季融雪洪水和夏季暴雨洪水。洪水穿過下游人口稠密區、重要工業區和重要交通設施，給社會經濟發展和人民生產生活造成極大損失。1980 年該市區東部山區春季融雪洪水洪峰流量達15.0 m3/s[2]，造成東大渠排洪渠發生漫溢，洪水直下市區；1979 年4 月市區西部山區一帶突降暴雨，數條山洪溝洪水泛濫，洪水沖入倉庫、街道洪水橫流。據統計，各類洪水造成的經濟損失多達數億元人民幣[2]。市區周邊山洪溝作為洪水頻發地區，是防洪的重點區域。

由于山洪溝多數缺乏實測水文資料，在進行洪水計算時，只能采用無資料地區設計洪水計算方法[3]。目前，國內采用的無資料地區設計洪水計算方法主要有: 根據流量資料推求設計洪水，如洪峰模數法、水科院法等；根據雨量資料推求設計洪水如推理公式法、產匯流單位線法等，亦可采用地區經驗公式推求設計洪水。本文選取洪峰模數法、推理公式法、調蓄經驗單位線法、面積比指數法進行研究區設計洪水計算，并對比分析，推薦適合本地區的計算公式。

2 研究區概況

本次計算分析案例，選取位于該市東部山前丘陵地區的某一灣河。該地發源于低山帶，為河流支流，主要由基巖裂隙水和大氣降水補給，是一條常年徑流的泉水型河流[4]。該河灣除在山口處)建有0.9 km 防洪渠外，其余均為天然河道，其右岸有兩條較大的山洪溝，洪水類型主要有融雪型洪水、雨雪混合型洪水和暴雨洪水三種類型，河道全長15.78 km，防洪體系為水庫和排洪渠同用的形式。河道兩岸主要為農田、居民區和少量的工礦企業。受人類活動的影響，一些小山洪溝已沒有明顯的匯流和泄洪通道；此間河道左岸匯水面積小，主要以坡面匯流為主，無明顯洪溝匯入；右岸為低山丘陵區，有眾多山洪溝，但最終匯集成兩條較大的山洪溝匯入主河道。本次計算選取洪水匯入點斷面作為河道特征水文斷面進行分析計算，該斷面匯水面積39.2 km2，河道長度16 km。

計算選擇英雄橋水文站、阜康白楊河水文站兩個國家基本水文站作為參證站。英雄橋水文站是烏魯木齊河水量控制站，地理坐標為東經87°12′，北緯43°22′，集水面積924 km2[5]，有1958-2016年水文資料；白楊河水文站是阜康市白楊河上游的流域控制站，地理坐標為東經88°32′，北緯44°03′，集水面積252 km2，1962年10月設立并觀測至今。

3 洪水計算方法

3.1 推理公式法

推理公式法又稱合理化公式，是利用暴雨數據推求小流域設計洪水的常用方法之一。因該市周邊山洪溝設計洪水都屬于小流域洪水計算，故采用《水利水電工程設計洪水計算規范》(SL44-93)推理公式[2，6]，計算方法如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Qmp為設計洪峰流量，m3/s；Sp為設計雨力，mm/h；τ為匯流歷時，h；tc為產流歷時，h；n為暴雨衰減指數，根據地區綜合關系，本次計算中取n1=0.7，n2=0.8；μ為凈雨歷時內平均損失率，mm/h；F為流域面積，km2；m為匯流參數；L為河流長度，km；J為河道平均比降；

計算中，分為全面匯流和部分匯流兩種情況考慮，即當tc≥τ時為全面匯流，tc<τ時為部分匯流。根據不同時段分別選取相應的暴雨衰減指數n1、n2。

3.2 調蓄經驗單位線法

根據資料查得沖洪溝區域最大24小時逐時雨量分配過程，結合區域最大24小時設計面雨量計算逐時設計面雨量；根據求得的產流期平均損失率切割逐時設計面雨量，計算得出產流期平均凈雨強度用以進行匯流計算[7]。確定匯流計算時段，依次計算各時段的凈雨流量并進行疊加，得到地面徑流過程線，進而得到設計頻率的洪水過程。調蓄經驗單位線基本公式為：

(5)

式中：Qi為各時段流量，m3/s；h為凈雨深，mm；F為流域面積，km2；Δt為計算時段，取2h；μ為凈雨歷時內平均損失率，mm/h；

3.3 水科院法

根據《水利水電工程設計洪水計算規范SL44-2006》[6]，水科院法洪峰流量計算公式為：

(6)

式中：Qmp為設計洪峰流量，m3/s；Sp為最大一小時雨量，mm/h；φ為洪峰徑流系數；τ為匯流歷時，h；n為暴雨衰減指數，根據地區綜合關系，本次計算中取0.7；

3.4 面積比指數法

參考《鐵路工程設計手冊—橋涵水文》中：流域面積小于100 km2，面積指數大于0.7，考慮到該灣河出山口后匯水面積大于山區部分，洪水類型為暴雨型洪水，而選取的白楊河和英雄橋參證站為融雪型+暴雨型洪水，二者之間洪水類型有一定的差別，故本次計算時面積指數取0.8。但由于本次分析計算的小山洪支溝積水面積均不足1 km2，且縱坡較大，產匯流匯水時間較主溝更短，洪水更易匯集，因而在分析中該灣河及主溝斷面處面積指數取0.8，小支溝面積指數取0.7。

4 設計洪水成果

針對研究區域的具體情況合理選取相關參數，采用上述四種設計洪水計算方法，分別對兩個參證站、5種設計頻率下進行洪水計算。采用頻率曲線分析法計算理論頻率值，根據各參證站多年最大1日降水量資料進行設計暴雨計算，參考地區最大1日降雨量與最大結果24小時降雨量分析成果，根據地區時面深的關系，將最大日降雨量換算為最大24小時降雨量，小流域由點雨量代替面雨量，由點面雨量折算系數1.0進行換算。線型選用P-Ⅲ型，以目估適線法適線。結果如表1所示。

對表1分析可知，四種方法計算成果差異性較大，其原因與洪水計算方法的適用性有關。查閱地區中小流域設計暴雨洪水圖集可知：調蓄經驗單位線法適用于范圍限于50～1 000 km2的中小流域。采用推理公式法計算小流域暴雨洪水，需借助有關洪水調查成果率定有關參數的選擇范圍。而面積比指數法是無資料地區設計流域與參證流域集水面積相差較大情況下計算設計流域洪峰流量的有效方法之一。四種方法與相應頻率下設計洪水理論值的偏離率如表2所示。

表1 設計洪水成果表

表2 不同計算方法設計洪水偏離率

由表2分析可知：用不同方法計算設計洪水時，推理公式法、調蓄經驗單位線法以及面積比指數法計算的設計洪水的偏差率具有隨洪水頻率的減小而先減小再增大的趨勢；水科院法計算的設計洪水的偏差率則呈現出隨著頻率的減小而增大的趨勢。從計算值比較分析可以得出：計算設計洪水最大偏差為推理公式法2%頻率下的對應設計洪水，偏差40.2%，且推理公式法與產匯流區下墊面、河道縱坡和匯水面積等有很大關系，考慮到后期山洪溝實際情況，其計算成果偏大；偏差最小的為水科院法計算的20%頻率下設計洪水的-9.2%偏離率，雖然與理論頻率值偏差不大，但整體計算成果偏小，綜合下游大學校區等防洪安全因素考慮；面積比指數法計算的5%頻率下的9.7%偏離率，且該種計算方法在其余各頻率下的偏離率也較小，面積比指數法在最符合實際情況也更為安全。

5 結語

本次分析的山洪溝匯水面積不超過100 km2，但縱坡較大，根據城市新區規劃，這些山洪溝匯水區大部分規劃為綠化用地，少部分較為平坦的規劃為建設用地。后期隨著匯水區下墊面植被條件的改善，對削減洪水有一定的作用。本文通過對推理公式法、調蓄經驗單位線法、水科院法以及面積比指數法4種設計洪水計算方法進行對比分析，得出以下結論：在對烏魯木齊山洪溝小流域進行山區洪水計算時，缺乏實測水文資料情況下，采用推理公式法、調蓄經驗單位線法設計成果都偏大，水科院法計算成果偏小，面積比指數法與理論值最為接近，可靠性和安全性較高，推薦使用。