淺析山丘平原圩區混合區小流域設計洪水計算

許 生 祁詣恒 宋 強 楊青森

（1.宿遷市水務勘測設計研究有限公司 宿遷 223800 2.江蘇省駱運水利工程管理處 宿遷 223800）

近年來，我國水利工程建設成效顯著，大江大河防洪能力顯著提升。然而，目前防洪體系存在的短板和薄弱環節不容忽視，特別是中小河流防洪標準較低已經成為防汛抗洪的凸出“短板”。中小河流流域面積雖小，但地形地貌復雜、匯流快，防洪難度很大，對區域防洪安全構成嚴重威脅，加強中小河流治理勢在必行。

1 流域概況

安東河是淮河水系洪澤湖周邊地區的骨干排澇河道，河道起于太皇河南堤，向南通過泗河地涵，之后向東至三岔河，與徐洪河并行成二河三堤，在顧勒河口入洪澤湖，河道全長49.97km，流域面積351.33km2，其中平原154.94km2，崗地58.75km2，圩區137.64km2，主要支流有小鮑河、王溝河、太平河等。

2 設計洪水分析

由于安東河流域缺少實測流量資料，擬采用暴雨資料推求設計洪水，按照暴雨洪水形成的過程，設計洪水推求分設計暴雨、設計凈雨、設計洪水三步進行。

2.1 設計暴雨分析

設計暴雨采用流域中心泗洪站1957—2011年共55年實測降雨資料，用經驗頻率初估統計參數，采用P-III 型曲線進行擬合，求得不同頻率下的最大一日和最大三日雨量。

最大一日設計暴雨：均值97.16mm，Cv=0.46，Cs=3.5Cv，采用目估適線法，考慮工程安全，通過調整Cv值，使得頻率曲線兼顧雨量較大值，同時保證采樣點沿曲線兩側均勻分布，經過調整，取Cv=0.5，Cs=3.5Cv。

最大三日設計暴雨：均值133.55mm，Cv=0.52，Cs=3.5Cv，采用目估適線法，考慮工程安全，通過調整Cv值，使得頻率曲線兼顧雨量較大值，同時保證采樣點沿曲線兩側均勻分布，經過調整，取Cv=0.55，Cs=3.5Cv。

根據暴雨均值Ex、偏態系數Cs、變差系數Cv，推算點設計暴雨，再根據《江蘇省暴雨洪水圖集》查各歷時點面折算系數K，推求面設計暴雨。

2.2 設計凈雨分析

安東河流域根據產流特性分為山丘平原區和圩區，面積分別為213.69km2、137.64km2。根據產流特性不同，按照山丘平原區、圩區分別計算。

2.2.1 山丘平原區

根據山丘平原區地類現狀，將下墊面分為旱地（68.5%）、水稻田（24%）、坑塘（7.5%），根據各下墊面的特征、所占比例及不同的產流規律，分別進行產流分析，將各類下墊面的凈雨成果根據面積比例加權平均后得到綜合凈雨。根據《江蘇省水文手冊》《江蘇省暴雨洪水圖集》對設計凈雨進行時程分配。

2.2.2 圩區

根據圩區地類現狀，將圩區下墊面分為旱地（32%）、水稻田（60%）、坑塘（8%），根據各下墊面的特征、所占比例及不同的產流規律，分別進行產流分析，將各類下墊面的凈雨成果根據面積比例加權平均后得到綜合凈雨。

2.3 設計洪水分析

2.3.1 山丘平原區

（1）方法一：山丘、平原分別單獨計算

①山丘區流量

采用瞬時單位線法。根據《江蘇省暴雨洪水圖集》，蘇北山丘區m1=2.4（F/J）0.28。山丘區降雨采用24h 暴雨，取m2=1/3 查山丘區瞬時單位線與2h單位線關系表，得出2h 瞬時單位線，用面凈雨過程卷積得山丘區設計洪峰及設計流量過程線。

水庫調蓄。流域內山丘區共有路口（0.88km2）、丁崗（1.87km2）2 座水庫，均為小型水庫，總集水面積2.75km2。根據水庫自身的匯水面積和所在流域的集水面積，計算水庫對洪水峰值的調節作用。設水庫的綜合調節系數為Kk=0.5，削峰系數Ku計算公式如下：

Ku=1-（1-Kk）×Fk/F

式中：Fk—小水庫控制的面積；

F—匯流面積。

調整后的最大洪峰流量Q山丘=Ku×Q山丘'。

②平原區流量

采用瞬時單位線法。根據《江蘇省暴雨洪水圖集》，蘇北平原區：m1=2.94（F/J）0.35，由于計算中m1值超出2h 單位線關系表上限值，因此采用3d 暴雨。取m2=1/2 查平原區瞬時單位線與6h 單位線關系表，得出6h 瞬時單位線，用面凈雨過程卷積得平原區設計洪峰及設計流量過程線。

平原區削峰。安東河平原區為農區，考慮允許地表滯水24h，根據m1值，查《江蘇省暴雨洪水圖集》進行削峰，得到平原區設計流量。

③山丘平原區設計流量

山丘平原區設計流量根據前述得到的山丘和平原流量疊加得出。

經計算，安東河閘處山丘平原區10年一遇流量290.9m3/s，20年一遇流量407.1m3/s。

（2）方法二：山丘平原作為混合區計算

采用瞬時單位線法。根據《江蘇省暴雨洪水圖集》，蘇北山丘、平原混合區參數m1計算公式：當P=10%時，m1=4.3（F/J）0.28；當P=5%時，m1=3.2（F/J）0.28。山丘平原混合區降雨采用24h 暴雨。取m2=1/3 查山丘區瞬時單位線與2h 單位線關系表，得出2h 瞬時單位線，用面凈雨過程卷積得山丘平原混合區設計洪峰及設計流量過程線。

采用平原區削峰?？紤]允許地表滯水為24h，根據m1值，查《江蘇省暴雨洪水圖集》進行削峰，得到混合區削峰流量。

經計算，安東河閘處山丘平原區10年一遇流量213.5m3/s，20年一遇流量352.1m3/s。

（3）流量成果分析及選用

將兩種方法計算的設計流量成果與已有的《泗洪縣安東河節制閘除險加固工程初步設計》成果進行對比，見表1。

表1 兩種方法設計流量對比表（單位：m3/s）

根據分析可知，方法一山丘、平原區單獨計算，沒有考慮山丘、平原區匯流的相互影響，流量成果較大，比《安東河閘初設》水文計算成果大26%～35%。方法二采用混合區進行計算，考慮了山丘、平原區匯流的相互影響，成果更科學合理，與《安東河閘初設》水文計算成果誤差在10%以內?？紤]河道水文成果一致性，山丘平原區設計流量采用方法二計算成果。

2.3.2 圩區流量

圩區設計流量，按照10年一遇一日暴雨兩日排出，每天開機20h 進行計算。

（1）抽排模數

圩區排澇模數計算公式為：

式中：M—設計排澇模數，m3/s/km2；

R—設計凈雨量，mm；

T—排澇歷時，d；

t—泵站在1d 內的運行時間，h。

（2）抽排流量

Q圩=M×F圩

式中：Q圩—圩區設計流量，m3/s；

M—排澇模數，因圩區抽排能力所限，20年一遇排澇模數同10年一遇排澇模數；

F圩—圩區面積，km2。

各節點圩區流量見表2。

表2 安東河設計流量成果表

2.3.3 設計流量成果

綜上所述，安東河流域各節點不同頻率設計流量按下式進行疊加：

Q設計10%=Q混合10%+Q圩區10%

Q設計5%=Q混合5%+Q圩區10%

安東河設計流量成果詳見表2。

3 結語

本文通過采用設計暴雨推求安東河設計洪水，設計洪水計算過程中，分別采用山丘、平原單獨計算和將山丘、平原作為混合區計算兩種方法推算安東河設計洪水成果，并與已有的水文成果進行對比分析，最終得到安東河20年一遇設計流量為452.6m3/s，為安東河河道治理提供了理論依據，同時也為類似河道設計洪水分析提供參考■