某支流設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

李曉麗，賈俊杰

(1.山東新匯建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 東營 257091；2.黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710061)

1 概述

淄河在淄川區(qū)有峨莊支流、田莊支流、幸福支流、聚峰支流、黑山支流、余糧支流6條支流，總長56.51km，流域面積268.21km2。這6條支流屬于季節(jié)性河流，位于淄川區(qū)東南部，發(fā)源于泰沂山北山區(qū)，山高坡短、源短流急，汛期洪水暴漲暴落，易形成洪澇災(zāi)害。

其中，田莊支流發(fā)源于張莊黃歧頂一帶山區(qū)，流經(jīng)梨峪口、田莊、張莊、雙股峪、后香峪、前香峪、孫家莊等7個(gè)村后匯入太河水庫，有9條小支流，一座小(一)型水庫(田莊水庫)，干流總長11.5km，流域面積52.33km2。2005—2008年對(duì)梨峪口村至孫家莊段進(jìn)行治理。兩岸砌石堤，治理長度5km。推求田莊支流10a一遇的流量，對(duì)于提高淄河河道防洪標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)淄川區(qū)的人民財(cái)產(chǎn)都有積極的意義。

田莊水庫位于東南山區(qū)的田莊村西，梨峪口村的南面，是一座以防洪、灌溉為主，兼作養(yǎng)殖等綜合利用的小(一)型水庫，流域面積13km2，總庫容125萬m3，興利庫容100萬m3，死庫容10萬m3，設(shè)計(jì)灌溉面積200hm2，保護(hù)下游田莊等村及政府駐地近3000人的防洪安全。水庫原設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)100a一遇，校核洪水位(P=1%)369m，設(shè)計(jì)洪水位(P=2%)368.45m，正常蓄水位366m。

2 田莊支流設(shè)計(jì)暴雨的分析計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)雨期

根據(jù)《山東省中小河流治理工程初步設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算指導(dǎo)意見》，對(duì)于中小河流，設(shè)計(jì)雨期一般取24h即可滿足設(shè)計(jì)要求。因此，田莊支流設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中雨期取24h。[1]

2.2 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

田莊支流流域內(nèi)僅有張莊一處雨量站，實(shí)測(cè)最大24h暴雨196.1mm，量級(jí)不大。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，在周邊選擇資料系列長、觀測(cè)質(zhì)量好的太河水庫和張莊雨量站資料，進(jìn)行地區(qū)綜合，確定設(shè)計(jì)暴雨。2個(gè)雨量站均為1971年設(shè)立，資料系列均在30a以上，滿足規(guī)范要求。[3]

利用“山東省國家水文數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”，[4]采用固定時(shí)段年最大值法，統(tǒng)計(jì)各站歷年最大24h降雨量，采用皮爾遜Ⅲ型曲線，取Cs=3.5Cv，進(jìn)行單站暴雨頻率分析[5]。經(jīng)地區(qū)綜合確定流域最大24h點(diǎn)雨量均值83.0mm[6]，Cv值0.53，如圖1所示，見表1。經(jīng)計(jì)算，該流域10a一遇最大24h設(shè)計(jì)暴雨點(diǎn)雨量為141.1mm[7]。

3 設(shè)計(jì)斷面與控制單元的劃分

3.1 控制斷面及單元?jiǎng)澐?/h3>

河道治理工程從治理段起點(diǎn)至終點(diǎn)各斷面的面積是變化的，設(shè)計(jì)流量也應(yīng)隨著變化，為了合理反映河道設(shè)計(jì)流量的變化和工程設(shè)計(jì)的需要，應(yīng)將治理河道劃分多個(gè)計(jì)算斷面。如有較大支流匯入，應(yīng)在支流入口以下設(shè)計(jì)算斷面。如果治理河段上游有中、小型水庫等攔蓄工程，應(yīng)將水庫等攔蓄工程作為一個(gè)計(jì)算單元，分單元計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。綜上，將田莊支流分為2個(gè)控制斷面：一個(gè)是田莊水庫以上(包括田莊水庫)、樁號(hào)7+203，另一個(gè)是張莊鄉(xiāng)后圈村以下、樁號(hào)4+470，田莊支流出口斷面0+000，共劃分3個(gè)單元。

圖1 田莊支流最大24h暴雨地區(qū)綜合頻率曲線

表1 最大24h暴雨分析成果表

3.2 各計(jì)算單元設(shè)計(jì)面雨量計(jì)算

各單元面雨量計(jì)算：用實(shí)測(cè)資料計(jì)算的田莊支流最大24h點(diǎn)雨量分別乘以各單元所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)面轉(zhuǎn)換系數(shù)(點(diǎn)面換算系數(shù)見《山東省中小河流治理工程初步設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算指導(dǎo)意見》附表2點(diǎn)面換算系數(shù)表)，即為各單元最大24h面雨量。各控制單元10a一遇設(shè)計(jì)面雨量計(jì)算成果見表2。

表2 田莊支流各單元10a一遇最大24h面雨量計(jì)算表

4 設(shè)計(jì)洪水的地區(qū)組成

根據(jù)《山東省中小河流治理工程初步設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算指導(dǎo)意見》，在上游有水庫等攔蓄工程的情況下，需分單元計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，下游計(jì)算斷面的設(shè)計(jì)洪水采用同頻率地區(qū)組成法。因此，田莊支流治理河段設(shè)計(jì)洪水計(jì)算辦法如下。

4.1 田莊支流全流域和區(qū)間設(shè)計(jì)洪水

首先計(jì)算田莊支流全流域10a一遇設(shè)計(jì)洪水及出口斷面(0+000)至田莊水庫(7+203)區(qū)間的10a一遇設(shè)計(jì)洪水。

4.2 田莊水庫相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水

田莊水庫10a一遇相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算公式為：

W1=W3-W2

(1)

R相應(yīng)=W1/F1

(2)

式中，W1—田莊水庫10a一遇相應(yīng)設(shè)計(jì)洪量，m3；W2—出口斷面至田莊水庫下游區(qū)間設(shè)計(jì)洪量,m3；W3—全流域設(shè)計(jì)洪量,m3；R—田莊水庫相應(yīng)頻率凈雨深,m；F—田莊水庫以上流域面積,m2。

4.3 田莊水庫調(diào)洪演算

水庫10a一遇相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水入庫后，閘門全開，從堰頂高程開始起調(diào)，可求得水庫10a一遇泄洪過程線[8]。調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)采用水量平衡原理進(jìn)行調(diào)洪演算，基本公式為：

(3)

Q=f(V)或Q=f(H)

式中，I1、I2—時(shí)段始、末入流量，m3/s；Q1、Q2—時(shí)段始、末出流量，m3/s；V1、V2—時(shí)段始、末水庫蓄水量，萬m3/s；Δt—時(shí)段長，s；Q=f(V)—水庫蓄水量與泄流量間的函數(shù)關(guān)系；Q=f(H)—水庫水位與泄流量間的函數(shù)關(guān)系。

4.4 設(shè)計(jì)洪水過程線及設(shè)計(jì)流量

將田莊水庫10a一遇洪水泄洪過程線錯(cuò)時(shí)段與下游河道10a一遇設(shè)計(jì)洪水過程線疊加，即可求得張莊鄉(xiāng)后圈村及田莊支流出口斷面10a一遇設(shè)計(jì)洪水過程線及設(shè)計(jì)流量。

5 設(shè)計(jì)暴雨日程及時(shí)程分配

5.1 設(shè)計(jì)雨型及其時(shí)段長

根據(jù)文獻(xiàn)[9]及《山東省中小河流治理工程初步設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算指導(dǎo)意見》確定一般山丘及山丘、平原混合區(qū)：

(4)

式中，M1—瞬時(shí)單位線參數(shù)；F—流域面積，km2；J—河道干流比降，‰；R—凈雨量，mm；Tc—凈雨歷時(shí)，h；0.196—一般山丘區(qū)瞬時(shí)單位線參數(shù)，淄河流域田莊支流屬于一般山丘區(qū)，故瞬時(shí)單位線參數(shù)取0.196即可。

田莊支流各單元10a一遇M1及設(shè)計(jì)雨型時(shí)段長匯總見表3。

表3 田莊支流各單元十年一遇M1及設(shè)計(jì)雨型時(shí)段長匯總

5.2 田莊支流的設(shè)計(jì)雨型表

田莊支流是淄河流域支流，屬太沂山北。因此在進(jìn)行洪水流量計(jì)算時(shí)應(yīng)采用“太沂山北1小時(shí)雨型表”(《山東省中小河流治理工程初步設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算指導(dǎo)意見》附表3- 3)。

根據(jù)各單元的設(shè)計(jì)雨型時(shí)段長，將各單元所對(duì)應(yīng)的的1h雨型分配，按照文獻(xiàn)[9]表7- 3“逐日凈雨深各時(shí)段分配數(shù)”比例得出0.2和0.5h的“逐日凈雨深各時(shí)段分配數(shù)”[10]。

6 用瞬時(shí)單位線法分析計(jì)算田莊支流各斷面洪峰流量

6.1 降雨徑流關(guān)系

各單元凈雨計(jì)算采用《山東省中小河流治理工程初步設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算指導(dǎo)意見》中“降雨徑流關(guān)系H24面+Pa—R成果表”8號(hào)線查得，設(shè)計(jì)Pa=40mm。降雨徑流關(guān)系成果見表4。

表4 田莊水庫降雨徑流關(guān)系表

再按各單元的“逐日凈雨深各時(shí)段分配數(shù)”進(jìn)行分配，即得田莊支流各單元10a一遇各時(shí)段凈雨深。

6.2 基流的確定

依據(jù)文獻(xiàn)[9]確定基流：基流的大小可以按照流域面積每100km2，基流為1m3/s計(jì)算。

6.3 匯流計(jì)算

根據(jù)各單元的M1值查文獻(xiàn)[9]所對(duì)應(yīng)的單位線流量，均乘以各單元面積F/10/100，再分別乘以各時(shí)段的凈雨深，即得各時(shí)段凈雨深所產(chǎn)生的流量過程。

將以上每一個(gè)單元各時(shí)段所產(chǎn)生的流量，錯(cuò)開時(shí)段，順序疊加，然后再加上基流量，既得各單元10a一遇的洪水流量過程線。如圖2—3所示。

圖2 田莊支流第二單元10a一遇設(shè)計(jì)洪水過程線

圖3 田莊支流出口斷面10a一遇設(shè)計(jì)洪水過程線

田莊支流各斷面設(shè)計(jì)洪峰流量成果見表5。

表5 田莊支流各斷面設(shè)計(jì)洪峰流量成果

7 結(jié)語

通過以上計(jì)算，可確定田莊支流張莊鄉(xiāng)后圈村斷面(樁號(hào)4+497)10a一遇洪峰流量為195.61m3/s，田莊支流出口斷面(樁號(hào)0+000)10a一遇洪峰流量為218.4m3/s，該結(jié)果可作為推算防洪規(guī)劃中規(guī)劃治理河段水面線推算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況及已用的工程資料進(jìn)行復(fù)核。