以朱家莊小流域為例的小流域設計洪水計算方法分析

吳曉文 曹德偉 溫新月 宋曉敏 顏景德

（1.山東省水文中心 濟南 250002 2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司山東分公司 濟南 250014）

1 引言

本文選取山東省山丘地區具有雨量、流量觀測資料且控制流域面積僅為31.4km2的朱家莊水文站作為研究對象，首先搜集包含朱家莊水文站以上流域范圍的30m 精度DEM（數字高程模型），通過ArcGis 中的SWAT 插件對DEM 進行模型分析，提取流域面積及主河道比降等基礎的流域特征因素，然后根據2019年朱家莊水文站實測最大24h 雨量資料，采用山東省小型水庫洪水核算辦法、水文圖集洪峰流量公式法、山東省綜合瞬時單位線法等共計三種計算方法進行計算，通過各方法的計算成果比較，并與朱家莊水文站2019年實測最大流量成果進行對比，最終分析各計算方法的合理性及準確性，提出同類型流域洪水計算的方法選擇建議。

2 基礎資料搜集

朱家莊站位于淄博市沂源縣溝泉鄉朱家莊村，于1968年7月設站，1999—2015年停測，位于沂河支流高村河（又名田莊河）上游，該河發源于狼窩山北麓、天門頂東側，東北向流入田莊水庫，河長22km，匯水面積52.4km2。水文站以上流域面積31.4km2，水文站以上河道干流比降為0.00826。流域范圍內有3 座小（2）型水庫，分別為曹家莊水庫，控制流域面積1.69km2，總庫容14.5 萬m3；朱家莊水庫，控制流域面積1.38km2，總庫容12.7 萬m3；東唐莊水庫，控制流域面積1.3km2，總庫容20.0 萬m3。

3 洪水分析計算

3.1 山東省小型水庫洪水核算辦法

《山東省小型水庫洪水核算辦法（試行）》是由山東省水文水資源勘測局于2007年編制的，主要依據水利部《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2000）、《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL44-2006）、《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）和《山東省水文圖集》的有關分析成果，同時在原山東省水利局暴雨洪水組1979年6月編印的《山東省小型水庫洪水核算方法》基礎上修訂完成的。其優點主要是所需搜集的計算基礎數據較少，無需搜集流域降雨觀測資料，對于缺乏降雨觀測資料的計算更加常用，尤其是這些缺乏雨量觀測資料的小流域山丘地區。《山東省小型水庫洪水核算辦法（試行）》通過查算計算曲線qm～H24～K 等輔助計算圖表計算洪峰流量，公式如下：

式中：

Qm—洪峰流量，m3/s；

qm—單位面積最大洪峰流量模數，s·m3/km2；

F—流域面積，km2；

K—流域綜合特征參數；

L—主河道長度，m；

J—主河道比降。

3.2 水文圖集洪峰流量公式法

山東省水文圖集分析了山東省各類地區的洪峰流量公式，選用了概化過程線，以便根據設計暴雨，推求相應的洪峰流量，此方法相較于山東省小型水庫洪水核算辦法增加了降水量這一計算參數，但在實際計算過程中可采用水文圖集中山東省最大24h降水量等值線圖及最大24h 降水量變差系數（Cv）等直線圖查算獲取。山丘地區小匯水面積具體公式方法如下：

式中：

Qm—洪峰流量，m3/s；

Ht—與H24同頻率、降水歷時為t 的年最大降水量，mm；

Rt—Ht產生的凈雨深，mm。

山東省綜合瞬時單位線是極小的、瞬時的單位時段凈雨所產生的相應出口斷面的流量過程線。《山東省水文圖集》在經過大量分析計算后將山東省內瞬時單位線法計算暴雨洪水的過程進行了分類簡化，在應用時，根據M1、M2兩個參數轉化成時段單位線，再根據相應時段的設計雨型，即可推求設計洪水流量過程。山丘區瞬時單位線參數M1、M2計算公式如下：

式中：

F—流域面積，km2；

J—主河道比降；

R—設計凈雨深，mm；

tc—凈雨歷時，h。

3.3 計算成果

因朱家莊站1999—2015年停測，水文系列不連續，因此選用2019年典型年洪水對其進行分析計算。朱家莊水文站控制流域面積較小，洪水主要由24h暴雨形成，因此暴雨資料選用最大24h 雨量。2019年朱家莊水文站實測最大24h 雨量93.0mm，實測最大流量127m3/s。采用山東省綜合瞬時單位線時，設計雨型選用泰沂山南山區1h 雨型，具體如表1 所示。

表1 朱家莊水文站設計暴雨時程分配表

朱家莊水文站位于泰沂山南山區，根據《山東省水文圖集》，凈雨計算選用1 號線，Pa 取40mm。將凈雨、流域面積、干流比降等參數代入以上兩種方法計算，小型水庫洪水核算辦法、洪峰流量公式法、山東省瞬時單位線洪水計算成果分別為141.3m3/s、136.6m3/s、141.57m3/s，實測流量127m3/s。

4 結論

根據以上計算結果分析可以看出，《山東省小型水庫洪水核算辦法》與山東省綜合瞬時單位線法基本一致、水文圖集洪峰流量公式法計算成果略小，但三種計算方法成果均大于實測洪峰流量，究其原因主要為上游流域內建設有多座水庫、塘壩等蓄水建筑物，對洪水洪峰有一定的削弱作用，因此在山東省山丘區暴雨洪水計算時，《山東省小型水庫洪水核算辦法》與水文圖集洪峰流量公式法均可選用，從安全角度考慮，推薦選用后者。從計算便捷程度考慮，更推薦采用《山東省小型水庫洪水核算辦法》，無需搜集降水量資料。

隨著山洪災害防御體系的不斷建設，對其設計暴雨洪水的計算精度要求也在不斷提高，在實際應用過程中不應局限于某種方法，可多個方法結合對比，搜集更詳細的基礎資料，構建山洪災害易發地區的水文模型，更細致地預測分析設計洪水■