康縣清河流域設計洪水計算及合理性分析

王樂文

（天水水文水資源勘測局,甘肅 天水 741000）

1 流域概況

銅錢河發源于康縣豆壩鎮楊李村,主干流西東走向,漸轉而南。流經豆壩、店子、秧田、銅錢4 個鄉的24 個行政村,于銅錢鄉下游右岸匯入燕子河,全長73 km。干流海拔693 m～1850 m。劃界河段全長73.3 km,集水面積519.5 km2,河段平均比降19.21‰。主河道穿行于牛頭山梁與烏雞溝大山梁之間的高山狹谷中,是燕子河系中最大的補給支流。以三河河、解板河為主要支流,與眾多的橫切山體的小支溝匯集坡面徑流,注入河道,組成徑流補給系統。整個流域呈扇形,流域系數0.43左右。

該河流域有大面積森林分布,植被分布由下游至上游逐漸減少,平均自然覆蓋率52.89%。河谷狹窄,彎曲多變,走向頻繁轉折,有眾多河灣分布。河谷寬度由上游向下游逐漸變窄,無發育較好的河漫灘。該河流域處于康縣高強度暴雨區,雷雨季節洪水頻繁,水勢洶洶,水流湍急,河灣眾多,水力資源開發條件優越。

銅錢河屬典型的山溪性河流,處于西秦嶺南側隴南山中,地質構造為昆侖秦嶺地槽褶皺地帶,地勢西高東低,流域氣候條件差異較小,無絕對無霜期。氣候溫和,雨量充沛。年平均氣溫12.1℃,7月～9月是雨季,約占全年降水的60%,年平均降水量850 mm。

2 資料及方法

本次水文分析計算依據清河周邊水文站實測整編資料及相關成果報告,包括：鐔家壩、康縣水文站實測整編資料,《康縣歷史山洪災害調查資料》[1]《甘肅省水文圖集》[2]《甘肅省暴雨洪水圖集》[3]《甘肅省暴雨特性研究》[4]等。采用方法有水文比擬法、地區經驗公式法、水文圖集法及水科院推理公式法。清河周邊水文站基本信息見表1。

表1 銅錢河周邊水文站、雨量站基本信息表

3 控制斷面布設分析

控制斷面的布設考慮干流河口、主要支流匯合口下游的順直河段、水文站控制斷面、攔河建筑物等。優先選擇已批復報告中已有斷面,本次共測得235 處實測斷面,無法搜集的則補測斷面。按照《甘肅省省級河湖管理范圍劃定工作技術方案》技術要求,本次干流控制斷面劃分8 處,積水面積見表2。

表2 設計洪水計算控制斷面統計表

4 徑流量分析計算

清河鄰近岸門口河康縣水文站[5],實測多年平均徑流深為264.5 mm,與清河流域中心多年平均徑流深相比,差距較小。選取康縣站1956 年～2016 年徑流資料,求得其多年平均徑流量0.62 億m3,經采用P-Ⅲ型曲線對康縣水文站實測年徑流量適線,用矩法初估參數,CV=0.44,CS/CV取值2.0。康縣站不同保證率年徑流量見表3,清河流域控制斷面設計年徑流量見表4。

表3 康縣水文站不同保證率年徑流量表 單位：億m3

表4 銅錢河設計年徑流量計算表

5 控制斷面設計洪水計算

5.1 洪峰流量計算方法

5.1.1 非控制斷面設計洪水

采用面積比擬法,以控制斷面進行比擬,在一個控制單元內面積變化幅度較小。

5.1.2 水文圖集經驗公式法

經驗公式法主要是采用《甘肅省水文圖集》中的公式,基本含甘肅省所有的大小河流,針對不同區域建立洪水計算公式。該方法主要應用區域內無水文、降水資料,以及周邊也無任何資料區域。該方法一般是作為參考,部分水利工程建設要求不是特別高的情況下使用。

式中：q為洪峰流量模數,m3/（s·km2）；F為集水面積,km2；C為不同頻率洪峰流量模數對應的常數。

5.1.3 甘肅省小流域洪峰流量經驗公式法

式中：Qp為洪峰流量,m3/s；KP為模比系數,由CV=1.8 F0.08,Cs=3.5CV,查P-III型曲線得出；Qm為多年平均最大洪峰流量,m3/s；F為流域面積,km2；H為多年平均時段最大雨量,mm,選取60 min雨量；J為洪道比降,%；L為河道流程長,km；f為流域形狀系數（小數）, f=F/L2；K為綜合系數,表示土壤、植被、水流容重及公式中沒有考慮因素的綜合影響,石山林區及黃土林區—黃土溝區過渡帶取值0.14～0.22,黃土溝壑區0.22～0.27。

5.1.4 水文比擬法

將參證流域的水文資料移置到設計流域的一種方法[6]。公式如下：

5.2 設計洪水計算

根據《甘肅省省級河湖管理范圍劃定工作技術方案》中的相關要求,本次采用水文圖集經驗公式法、甘肅省小流域洪峰流量經驗公式法、水科院推理公式法進行設計洪水計算。具體計算如下：

5.2.1 水文圖集經驗公式法

根據《甘肅省水文圖集》,采用略陽以下嘉陵江右岸支流經驗公式,不同頻率1%、2%、5%、10%下的常數分別為13.3、11.0、8.52、6.57,n值為0.149。據此計算的控制斷面不同頻率設計洪峰流量見表5。

表5 經驗公式法不同頻率洪峰流量成果表

5.2.2 甘肅省小流域洪峰流量經驗公式法

隴南屬于高山峽谷區,植被茂盛,洪水調蓄作用較強,考慮到該流域所具有的特性及相關監測站點,公式采用過程中流域面積F、河道比降J、河道流程長L通過量算得到,流域形狀系數f通過公式計算,采用甘肅省小流域經驗公式法計算的控制斷面洪峰流量見表6。

表6 小流域經驗公式法同頻率洪峰流量成果表

5.2.3 水科院推理公式法

（1）設計暴雨

設計暴雨可采用的資料有《甘肅省暴雨洪水圖集》（1988）、《甘肅省暴雨特性研究》（2004）。考慮到《甘肅省暴雨特性研究》資料系列至2000年,本次設計暴雨依據該成果進行計算。

清河流域屬隴南石山林區,用隴南石山林區產流期平均入滲率f進行產流計算,得tc=12 h,Ptc=188.7 mm, f=2.5 mm/h,將產流期各時段降水量減去時段入滲量得凈雨過程,則總的凈雨為156.6 mm。產流前的降雨之和為初損,即I0=7.9 mm,產流期以后的降水全部下滲。

（2）K235 斷面設計百年一遇洪水計算

采用水科院推理公式法計算設計洪峰流量,聯解如下一組方程。便可求得設計洪峰流量Qp,即Qm,及相應的流域匯流時間τ[7]。根據《甘肅省暴雨洪水圖集》、《甘肅省暴雨特性研究》進行參數選取。水科院推理公式法計算設計洪峰流量是聯解如下一組方程。便可求得設計洪峰流量Qp,即Qm,及相應的流域匯流時間τ。

從公式可知,洪峰流量Qm和匯流時間τ互為隱函數,而徑流系數ψ對于全面匯流和部分匯流公式又不同。

6 結論

通過對三種方法計算結果進行比較分析,水文圖集經驗公式洪峰流量偏大,推理公式法與甘肅省小流域經驗公式接近,經分析選用推理公式法計算結果。具體數值見表7。根據省防辦組織審查的《康縣歷史洪水調查報告》,銅錢河洪調斷面70 年一遇洪峰流量677 m3/s；安樂河洪調斷面集水面積579 km2,50 年一遇洪峰流量1190 m3/s。本次K235 斷面流域面積控制斷面集水面積519.5 km2,100 年一遇設計洪峰流量1260 m3/s,50 年一遇設計洪峰流量1080 m3/s,據此,采用的洪峰流量成果應該是合理的。所以采用推理公式法計算的洪峰流量相對準確、合理。

表7 推理公式法洪峰流量成果表