洪水分析計算在新河灃西新城段河道劃界確權中的實例應用

馬 康，王海強

（咸陽水文水資源勘測中心，陜西 咸陽712000）

西咸新區新河灃西新城段目前基本為村莊和農田，未來規劃為田園城市，沿岸人口稠密，經濟發達。但該段河道多年來未經治理，洪水災害時有發生，與現狀全段新河治理工程不能形成完整的防洪體系。為貫徹落實“河長制”減少洪水災害，加強防洪基礎設施，促進城市建設，開展河道劃界確權工作。本次西咸新區新河灃西新城段劃界確權工作涉及水文分析計算主要是計算河道水面線。

1 概況

新河是渭河右岸一級支流，發源于秦嶺北麓淺山區，自南向北流經鄠邑區于咸陽市秦都區的釣魚臺街辦鑿齒村進入西咸新區，經曹家莊、王道村，于馬家寨村入渭河。新河主河道長40 km，流域面積303.8 km2，平均比降8.5‰。新河上游由檀峪河、曲峪河、化羊峪、黃柏峪、鳥桑溝、四岔溝和三岔溝等支流組成，山區、半山區面積僅51.4 km2，其余面積為平原地區。秦嶺山區大部分地區被森林覆蓋，植被良好，山區河谷狹窄，山勢險峻，河床比降大，水流湍急；峪口以下為渭河川地，河谷相對開闊，土地肥沃，農業發達。

新河上游山區、半山區（爐丹村段上游）河道長12.76 km，流域面積為51.4 km2，河道平均比降67.4‰；中下游平原區（爐丹村段下游）河道長27.24 km，流域面積為252.4 km2，河道平均比降1.34‰。

2 設計洪水分析計算

2.1 水文資料的“三性”分析

（1）可靠性分析

澇峪口水文站選用1944年～2018年年最大洪峰流量資料，均為水文年鑒整編成果，測站測驗河段順直，斷面基本穩定，中低水采用流速儀測流，高水采用均勻浮標測流。經查閱幾場大水實測流量資料，洪水過程控制完整，中泓浮標符合規范要求，浮標系數采用合理，選用的年最大流量系列資料連續，數據準確可靠。

（2）一致性分析

資料一致性是指一個系列不同時期的資料成因應相同。水文頻率計算洪水資料必須具有一致性，也就是各年洪水的流域產流、匯流條件應保持基本相同。當流域內修建水庫、跨流域引水、分洪等工程及水文站遷移都會影響洪水資料的一致性。

澇峪口水文站以上流域內未建大中型水利工程，有小型水電站工程一處，對洪水過程無調節，因此人類活動對洪水系列的影響很??；澇峪口水文站斷面雖經幾次遷移，但遷移距離較小，流域面積相差未超過5%，且無支流匯入，因此年最大洪峰流量系列具有較好的一致性。

（3）代表性分析

點繪年最大洪峰流量歷時曲線和差積曲線，分別見圖1和圖2，從圖中可以看出：在75年的系列中有2個連續的豐水時段（分別是1946年～1958年、1978年～1988年），2個連續的枯水時段（1966年～1976年、1992年～1998年），且系列中包含有豐水年組、平水年組和枯水年組以及豐、平、枯水年。隨著系列的增加，系列的均值趨于穩定。因此所選用的年最大洪峰流量資料具有較好的代表性。

圖1 澇峪口站年最大洪峰流量歷時曲線圖

圖2 澇峪口站年最大差積曲線圖

正逆序累加計算洪峰流量系列的均值，并點繪其過程線見圖3，從圖3可以看出：隨著系列的增長，均值趨于穩定，均值穩定在158 m3/s左右，表明洪峰流量系列具有較好的代表性。

圖3 澇峪口站年最大流量累計均值正逆序系列曲線圖

2.2 歷史洪水調查

歷史調查和實測特大洪水見表1。

表1 澇峪口水文站歷史調查和實測特大洪水統計表

根據澇峪口水文站1944年～2018年共75年實測洪水洪峰流量資料加入1898年調查洪水，按不連續系列計算經驗頻率。頻率計算時，將歷史調查1898年洪水和實測系列1957年洪水作為特大值處理。

2.3 頻率計算

按照《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL 44-2006）推薦的方法，依據不連續系列計算經驗頻率，其計算公式如下：

a個特大洪水的經驗頻率為：

n-1個連續洪水的經驗頻率為：

式中：Pm、PM為經驗頻率；m、M分別為連續系列、歷史特大值排列序號；n、N分別代表連續系列年數、歷史特大值首項重現期。

式中：Qi、Qj分別代表連續系列和特大值系列中的樣本；a、n分別代表特大值樣本個數和實測系列的樣本個數。采用皮爾遜Ⅲ型曲線進行經驗適線，適線總原則是：盡量使理論頻率曲線通過經驗點據的中心位置，側重考慮曲線與上部和中部較可靠的大水點據吻合。

根據澇峪口站1944年～2018年75年洪峰流量，加入1898年調查洪水按不連續系列進行頻率計算，以矩法初估計參數，采用P-Ⅲ型曲線適線，頻率曲線適線結果見圖4和表2。

圖4 澇峪口水文站洪峰流量頻率曲線圖

表2 澇河澇峪口站年最大洪峰流量頻率計算成果表

2.4 設計洪水成果合理性分析

本次計算成果與澇河已有規劃或工程報告計算成果比較，見表3。

表3 澇峪口站洪水頻率計算成果比較表 單位：m3/s

本次計算設計洪水依據澇河澇峪口水文站從建站到2018年75年資料系列，通過表3可以看出本次計算成果與《澇河治理規劃》《澇河環山路至戶祖路防洪工程》《澇河石井至天橋重點段防洪》《澇河天橋鎮、甘亭鎮段防洪堤防工程初步設計》等已有成果接近，計算所用資料系列長度相近，計算成果基本一致，分析認為本次計算成果是合理的。綜合考慮本次計算成果與省水利廳批復的《澇河天橋鎮、甘亭鎮段防洪堤防工程初步設計》中計算成果比較接近，因此以水利廳批復的《澇河天橋鎮、甘亭鎮段防洪堤防工程初步設計》中100年、50年、30年、20年和10年一遇洪峰流量成果作為采用成果。

2.5 新河灃西新城段設計洪峰流量

鑒于新河流域未設立水文測站，也無實測水文資料，因此，新河流域設計洪水采用3種方法計算：一是水文比擬法；二是經驗公式法；三是由暴雨推求設計洪水（推理公式法）。

新河流域中下游為平原區，地勢平坦且大部分為農田，其產流條件較差，再考慮到平原區的槽蓄作用，新河下游的洪水主要來源于山區洪水。故本次設計洪水計算時有效產流面積采用上游山區、半山區流域面積51.4 km2。

（1）水文比擬法

根據《西安市實用水文手冊》經驗公式分區圖可知，新河流域采用澇峪口站設計洪峰流量比擬。

計算公式為：

式中：Qm設、Qm參為分別為設計站和參證站洪峰流量，m3/s；A設、A參為分別為設計站和參證站集水面積，km2；n為指數（設計與實測控制面積差小于5%時，n取1.0；設計與實測控制面積差大于5%～7%時，n取0.67）取0.67。

表4 洪峰流量水文比擬法設計洪水計算成果表

（2）經驗公式法

根據《西安市實用水文手冊》洪峰流量經驗公式適用范圍可知，新河洪峰流量計算可以采用地區經驗公式。

計算公式：

式中：QN為重現期為N的設計洪峰流量，m3/s；KN為重現期為N的經驗參數；F為設計流域面積，km3；n為指數。

公式中的參、指數KN、n值，從《西安市實用水文手冊》中查得。根據河道所在位置，其采用值見表5。

經計算，新河干流成果見表6。

表5 地區經驗公式法相關參數表

表6 洪峰流量經驗公式法設計洪水計算成果表

（3）推理公式法

根據暴雨資料推求設計洪水，是缺乏實測流量資料的中、小流域計算設計洪水最常用的一種方法。依據《西安市實用水文手冊》提供的方法和有關參數，由設計暴雨推求各河段控制斷面及支流的設計洪峰流量。

新河峪口以下為平原區，地勢平坦且大部分為農田，其產流條件較差，再考慮到平原區的槽蓄作用，故同期下游的洪水主要來源于山區洪水。本次設計洪水計算時采用上游山區、半山區流域面積51.4 km2。暴雨是形成洪水的主要因素，在假定設計暴雨與設計洪水的頻率相應和暴雨全面積籠罩的前提下，分析產流和匯流過程，進而推求設計洪峰流量。

表7 不同重現期的洪水流量及匯流時間表

（4）選用方法的合理性分析

水文比擬法采用澇峪口水文站實測洪水系列資料，新河灃西新城段以上流域面積與參證站控制流域面積超過±20%，采用《西安市實用水文手冊》方法計算已經不能適應現在水資源量計算，依據提供的經驗公式法、暴雨資料推求等方法，考慮到經驗公式法使用參數較少，成果精度相對較低；推理公式法雖然參數多，但是由于采用《西安市實用水文手冊》時間過早，現在的流域下墊面及基本情況有所變化，計算出來數據與實際差異大，因此對于設計洪水采用推理公式法計算的成果可以根據實際情況采用。以上方法計算出來的數據出入較大，采用水文站實測資料進行比較，控制流域面積的水文站計算出的支流及相近河流的洪峰流量較為可靠，其結果是比較接近真實值，目前采用面積比擬法比較精確。

（5）采用成果

本次設計洪水不僅采用多種計算方法，而且對不同成果進行對比分析，選用面積比擬法計算成果最為可靠，可以參考推理法，選取切合實際的洪水量，因此可以認為本次設計洪水采用值合理、可靠，可以作為本次河道行洪能力分析計算的依據。計算結果及本次設計采用值見表8。

表8 新河灃西新城段設計不同頻率洪水計算采用成果匯總表

3 設計洪水水位計算

3.1 水面線計算公式

使用曼寧公式計算起始斷面水位～流量關系，得到起始斷面設計洪水位，再使用恒定非均勻流方程法推求設計水面線。

1）計算水面線用到的公式如下。

起始斷面水位～流量關系，采用曼寧公式：

式中：Q為流量；A為斷面面積；n為糙率；R為水力半徑；i為水面比降。

2）本次現狀河道設計洪水水面線推求采用工程實踐中常用的水力學法推求河道水面曲線。即先根據河道斷面實測成果、比降、糙率等資料確定起始邊界條件，然后用恒定非均勻流公式，由下游至上游逐斷面推算斷面水位。

恒定非均勻流公式，其方程為：

式中：Zu、Zd分別為上、下游斷面水位；Q為斷面流量；Δs為斷面間距；Ku、Kd分別為上、下游斷面流量模數；α為動能修正系數；ξ為局部水頭損失系數。

流量模數的計算公式為：

式中：n為斷面處河床糙率；A為斷面面積；R為水力半徑。

3.2 水面線計算有關參數的確定

3.2.1 糙率確定

按照現場查勘河床及灘地組成，參考澇峪口站測糙率資料和《西安市實用水文手冊》（黃河流域）以及《水力計算手冊》，并結合新河現狀河道基本情況，新河（灃西新城段）兩岸均有堤防的河段糙率取值0.032，無堤防河段主槽內糙率取值0.034。

3.2.2 比降確定

根據實測河道縱斷面數據確定比降J。其中J值按下式計算：

式中：Z0、Z1、Z2…Zn為自出口斷面起沿河道各特征點高程，m；L1、L2…Ln為各特征點間的距離，m；L為主河道總長度，m。

本次新河河段各斷面區間比降計算結果均在2.21‰～6.74‰之間。

3.3 選定水面線標準及成果

（1）防洪標準

依據《防洪標準》（GB 50201-2014）、《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013），并結合《西安灃渭新區河道綜合治理規劃》的審查意見，渭河采用重現期為100年的防洪標準，相應洪峰流量9700 m3/s。新河主要為灃西新城的工業及居住用地，保護面積11.25 km2，采用重現期為50年的防洪標準，相應洪峰流量223 m3/s。

（2）選定水面線成果

本次在新河灃西新城河段共施測了27條河道橫斷面、1條縱斷面。其中橫斷面編號從上到下依次為K0+0.000～K12+686.2。因為新河灃西新城河段不長，選用K12+686.2斷面作為水面線計算的起始斷面，利用曼寧公式計算起始斷面水位～流量關系，得到各斷面設計洪水位，并繪制出50年一遇水面線圖，分別見表9和圖5。

表9 新河河段50年洪水水力要素成果表

圖5 新河灃西新城段50年一遇洪水水面線圖

4 結語

新河灃西新城段堤防存在有堤防段河段和無堤防河段，管理范圍線為堤頂線，保護范圍線為管理范圍線外10 m。新河上游河段河道相對較窄，斷面寬度較小，兩岸多為基本農田和道路，因此管理范圍線為設計洪水位或者陡坎邊線，為灃西西城重點發展區域，有條件設置護岸地的河段，按照設計洪水位以外20 m作為管理范圍線，保護范圍線為管理范圍線外10 m。

經分析計算確定了各施測斷面的洪水位，為河道劃界確權的范圍確定提供準確數理依據。