山區小流域設計洪水計算方法探討

陳端丹 黃興階 吳鐵鈞

湖北省十堰市水文水資源勘測局 湖北 十堰 442000

引言

近年來，十堰市經濟高速發展，城區附近的工業園區日益增多，受山區地形和投資條件的限制，公路往往不得不穿越一些河道，因此在道路規劃設計時，必須對橋梁的防洪能力進行分析評估，而各頻率洪水計算又是重中之重,本文以十堰恒陽混凝土工程有限公司交通橋洪水計算為例，運用水文比擬法和瞬時單位線法兩種方法進行計算，對所得結果進行分析比較，可為類似項目提供借鑒參考。

1 工程概況

十堰恒陽混凝土工程有限公司位于十堰市鄖陽區柳陂鎮沙洲村，屬于鄖陽區招商引資企業。廠區占地面積30畝，受當地地形限制，該公司進場道路跨越一條名為沙洲河的山區中小河流，跨河建有小型交通橋，交通橋跨度為6.8m，寬7.5m，高5.1m，橋梁斷面河底平均高程171.40m，為增大過流能力，右岸橋臺底部設有2根直徑1.2m的涵管。

2 水文氣象

沙洲河為漢江中游上段右岸支流，流域屬于亞熱帶季風氣候區，多年平均氣溫15℃左右，無霜期200天以上，多年平均降水量約820mm。沙洲河流域屬于山溪性河流，從水文氣象成因分析和降水量與暴雨、徑流與洪水的統計分析結果表明，由于漢江流域的地理位置、地形地貌影響以及天氣系統的作用，汛期雨洪大小在時程分布上呈現“三峰兩谷”的形態，即春汛、夏汛、秋汛三個高峰值被兩個低值區分隔。

3 參證站的選擇

由于沙洲河流域唯一雨量站蘭家崗站僅有5年系列資料，故本次設計暴雨洪水分析計算采用鄰近流域水文站點及相鄰雨量站點歷年降水量資料系列。沙洲河流域同一氣象區域的鄰近流域馬家河上曾建有小川水文站，鄰近官山河流域上建有孤山水文站。

表1 沙洲河鄰近流域水文站情況表

表2 各雨量站不同系列降水量統計表

孤山站實測徑流系列最長，但是流域面積跟沙洲河流域面積相差較大，小川站與本流域面積相近，故本次選擇小川水文站作為本次設計參證站。

4 設計暴雨洪水

橋梁斷面以上設計暴雨洪水采用水文比擬法和瞬時單位線法兩種方法進行分析計算，對比選擇較合理的結果[1]。

4.1 水文比擬法

用小川水文站1973～1994年共22年實測洪水資料進行頻率分析，均值=43.2m3/s、Cv=1.81、Cs/Cv=3.5，并對1975年（頻率為1%）實測最大洪峰作特大值處理，資料系列得到了展延，增加了資料系列的代表性。將小川站設計洪水成果按面積比推算至本項目區斷面，計算成果見表3

表3 橋梁斷面設計洪水成果表（水文比擬法）

4.2 瞬時單位線法

設計暴雨洪水采用暴雨途徑（瞬時單位線法）計算。

4.2.1 流域地理參數。沙洲河流域位于湖北省十堰市，其流域地理參數為：橋梁斷面以上流域面積25.77km2，主河道長12.91km，主河道加權平均比降14.1255‰。

4.2.2 設計暴雨

4.2.2.1 點雨量。將鄰近流域各雨量參證站實測短歷時暴雨系列資料，進行頻率計算，用P-Ⅲ型頻率曲線適線，用適線法確定統計參數；根據所在流域中心位置查2008版《湖北省暴雨等值線圖集》，查算統計參數值。由以上兩種方法，得出設計點雨量的均值和變差系數Cv，見表4：

表4 暴雨參數分析成果表

經過對以上數據綜合分析比較，小川站距離本工程最近，最適合作為參證站，且小川站與圖集的Cv值是遞增的，規律一致；孤山站所在流域面積較大，不足以代表本項目所在流域降雨特性。查算等值線圖統計參數，1小時暴雨量均值與24小時暴雨量均值均高于小川站，偏安全計，本次計算選取查算等值線圖值為恒陽商砼以上流域設計暴雨。

4.2.2.2 面雨量。沙洲河流域面積在21～100km2之間，且典型雨圖軸向與流域軸向夾角不大于30°，不需作形狀改正，采用點面系數法計算各時段面雨量，點面系數α擬采用《湖北省暴雨徑流查算圖表》查得點面系數，得到橋梁斷面不同歷時的面雨量H1h面、H6h面、H24h面。

4.2.3 設計凈雨。設計凈雨按扣除初損和穩損的方法推求。設計雨型采用《湖北省暴雨徑流查算圖表》（以下簡稱《圖表》）中推薦的雨型，計算時段△t=1h，tc=12h。

按設計雨型排列后的面雨量過程順次扣除初損22.5mm后再扣除穩損，即可求得設計凈雨過程，其中穩損按下式計算[2]：

式中：

R24—24 h總徑流深（mm），R24=H24面—22.5。

4.2.4 匯流計算

4.2.4.1 地面徑流。地表徑流按瞬時單位線法進行產匯流計算，該流域位于水文分區第Ⅸ，其瞬時單位線參數按公式計算：

m1=1.64F0.231L0.131J-0.08

n=0.529F0.25J0.20

K＝mli/n

式中：F—流域面積，以km2計

L—主河道長，以km計

J—主河道比降，以‰計

對超過50年一遇的洪水應考慮參數的非線性改正，參數m1的非線性改正按下面公式計算：

式中：

ip—造峰雨強，ip＝HtR/tR，造峰雨歷時tR=0.425F0.52

λ1，λ—系數，可由《查算圖表》查表計算：K＝m1i/n

由瞬時單位線參數n、k和前面求出的設計凈雨過程可求得地表徑流過程。

4.2.4.2 地下徑流

地下徑流過程計算公式：

T—地面徑流過程底寬。

4.2.5 設計洪水過程。將地表徑流和地下徑流過程疊加即得到12h雨量瞬時單位線設計洪水過程。

5 設計洪水成果比較與采用

將水文比擬法和瞬時單位線法途徑計算的恒陽商砼交通橋處設計洪水成果對比見表5。

表5 不同計算方法設計洪水值比較表 單位：m3/s

由表5可以看出，在P=1%～5%時，兩種方法推求的交通橋處設計洪水成果基本接近，而P=10%～20%時，兩種方法計算結果相差較大，根據橋梁斷面實際勘測資料顯示，瞬時單位線法計算結果與實際情況吻合較好，故本次計算采用瞬時單位線法計算結果。

6 結束語

綜上，山區小流域河流洪水特征顯著，不僅集水面積小，而且產流匯流時間短，坡地匯流起主要作用，受河道比降、糙率、下墊面情況影響大。在實際計算時，水文比擬法考慮了流域地形和面積的相似性，而對于各種復雜的水文要素考慮有所欠缺，而瞬時單位線法綜合了降水、比降、糙率、下墊面條件、產匯流等因素進行計算，結果與實際觀測情況較吻合，鑒于此，筆者認為瞬時單位線法較水文比擬法更適合山區小流域洪水計算。