歷史洪水調(diào)查法在設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算中的應(yīng)用分析

高海海

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065）

1 工程概況

金陵河屬渭河北岸一級(jí)支流,發(fā)源于隴縣八渡鎮(zhèn)趙家山以南,流經(jīng)陳倉(cāng)區(qū)新街、縣功和金臺(tái)區(qū)金河等鄉(xiāng)鎮(zhèn),由北向南穿越寶雞市區(qū)匯入渭河。河道長(zhǎng)55.0 km,流域面積427.1 km2,河道平均比降7.4‰。流域上游寬闊,下游較窄,呈現(xiàn)以縣功鎮(zhèn)為頸的“掃帚”狀特點(diǎn)。流域內(nèi)主要支流有：司川河、窯溝、龍渠溝。金陵河以陳倉(cāng)區(qū)縣功鎮(zhèn)為界,縣功鎮(zhèn)以上為上游段,縣功鎮(zhèn)以下為中、下游段,干流單一。縣功鎮(zhèn)以上流域面積332.3 km2,占總流域面積的77.8%,縣功鎮(zhèn)以下流域面積94.9 km2,占總流域面積的22.2%[1]。工程治理河段從上游依次為玉池村段、金河鎮(zhèn)段、八里村段以及金陵四橋段。其中,玉池村段控制流域面積372 km2,金河鎮(zhèn)段控制流域面積393 km2；八里村段控制流域面積405 km2；金陵四橋段控制流域面積415 km2。

2 洪峰流量計(jì)算

由于金陵河流域?qū)儆跓o水文資料地區(qū),故設(shè)計(jì)洪水計(jì)算主要根據(jù)《寶雞市水文實(shí)用手冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》）中關(guān)于無資料地區(qū)或缺乏水文資料的中小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法推求設(shè)計(jì)洪水,并結(jié)合洪水調(diào)查綜合分析確定。分別采用水文比擬法、歷史洪水調(diào)查法、經(jīng)驗(yàn)公式法和推理公式法四種不同方法進(jìn)行計(jì)算。同時(shí),根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 20501-2014）規(guī)定,并參照其他設(shè)計(jì)文件,玉池村段防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇；金河鎮(zhèn)段防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇；八里村段和金陵四橋段防洪標(biāo)準(zhǔn)均為100 年一遇。

2.1 水文比擬法

選用相鄰的自然地理?xiàng)l件屬同一水文氣象分區(qū)且流域面積接近,降雨特點(diǎn)與金陵河相似的小水河朱園水文站為參證站,計(jì)算公式：

式中：F設(shè)為設(shè)計(jì)各斷面控制流域面積,km2；F參為參證站控制流域面積,km2；Qp參為參證站相應(yīng)頻率洪水流量,m3/s。

2.2 經(jīng)驗(yàn)公式法

根據(jù)《手冊(cè)》提供的洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式：Qp=K·Fn·Jα·H6Pβ,工程屬于渭河以北地區(qū)采用公式：

式中：F為各段流域面積,km2；J為各斷面平均比降,‰；H6P為設(shè)計(jì)6 小時(shí)的暴雨量。

2.3 推理公式法

根據(jù)暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水,是缺乏水文資料的中小流域最常用的一種方法。暴雨是形成洪水的主要因素,通過暴雨間接推求設(shè)計(jì)洪水時(shí),首先假定設(shè)計(jì)暴雨與設(shè)計(jì)洪水的頻率是相應(yīng)的[2]。根據(jù)已審定的《手冊(cè)》,查暴雨產(chǎn)匯流參數(shù),推算設(shè)計(jì)洪水,匯流計(jì)算采用推理公式法。

2.4 歷史洪水調(diào)查法

（1）歷史調(diào)查洪水分析

歷史洪水以陜西省水利廳1984 年12 月整編刊印的《陜西省洪水調(diào)查資料》及《手冊(cè)》等資料為依據(jù)。根據(jù)工程布置情況、調(diào)查洪水?dāng)嗝婵刂泼娣e大小及調(diào)查洪水的可靠性等,主要選擇金陵河仝家崖和寶十橋兩個(gè)斷面的歷史調(diào)查洪水進(jìn)行分析。由于兩個(gè)斷面的控制面積及洪水調(diào)查年份的不同,為了保證歷史調(diào)查洪水資料的一致性及洪水計(jì)算分析,將寶十橋斷面調(diào)查洪水洪峰流量采用面積比擬法折算至仝家崖斷面,面積指數(shù)取0.67。仝家崖斷面歷史洪水計(jì)算結(jié)果：1937 年洪峰流量為932 m3/s,1947 年洪峰流量為497 m3/s,1989 年洪峰流量為824 m3/s,1996 年洪峰流量為625 m3/s,1988 年洪峰流量為1110 m3/s。

（2）歷史調(diào)查洪水重現(xiàn)期確定

根據(jù)調(diào)查到的歷史洪水資料分析,1901 年金陵河突發(fā)洪水為有史以來最大的洪水,從1901 年距今已經(jīng)116 年了,但其洪峰流量無調(diào)查值；而1988 年洪水為1901 年以來有調(diào)查值的第一大洪水。經(jīng)綜合考慮,結(jié)合洪水發(fā)生的時(shí)間、量級(jí)及調(diào)查資料的可靠性,故確定1988 年、1937 年、1989 年、1996 年、1947 年五次歷史洪水的重現(xiàn)期分別為100 年一遇、50 年一遇、30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇。

（3）歷史調(diào)查洪水頻率計(jì)算

根據(jù)仝家崖斷面調(diào)查到的洪水洪峰流量值及各場(chǎng)洪水確定的重現(xiàn)期,計(jì)算出各場(chǎng)洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率,計(jì)算結(jié)果見表1。依據(jù)各場(chǎng)洪水的洪峰流量值及計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)頻率值,利用水文頻率計(jì)算軟件適線,其頻率曲線結(jié)果見圖1。

圖1 金陵河仝家崖斷面洪峰流量頻率曲線圖

表1 仝家崖斷面歷史洪水經(jīng)驗(yàn)頻率成果表

經(jīng)適線后,金陵河仝家崖斷面洪峰流量頻率曲線參數(shù)：均值X=221 m3/s、CV=1.0、CS=3.5CV=3.5。查頻率曲線得金陵河仝家崖斷面不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量見表2。

表2 仝家崖斷面不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

根據(jù)已知的金陵河仝家崖斷面洪峰流量,按面積比擬法計(jì)算工程設(shè)計(jì)斷面的洪峰流量：

式中：F設(shè)為設(shè)計(jì)各段斷面控制流域面積,km2；F參為參證站控制流域面積,km2；Qp設(shè)為設(shè)計(jì)各段控制斷面相應(yīng)頻率洪水流量,m3/s；Qp參為參證站相應(yīng)頻率洪水流量,m3/s。

3 結(jié)果選取

通過以上四種方法的分析計(jì)算：經(jīng)驗(yàn)公式適用于流域面積為10 km2～150 km2,由于工程最小設(shè)計(jì)流域面積372 km2,故該方法計(jì)算結(jié)果僅作為參考值；水文比擬法采用朱園水文站為參證站,該站有40 年實(shí)測(cè)洪峰流量資料,流域面積盡管相近,但流域下墊面因素差異較大,其匯流過程不同,同時(shí)流域形狀也相差較大,小水河流域?yàn)闂l狀,而金陵河為扇形,相對(duì)而言,沒有金陵河易匯流形成洪水,因而水文比擬法洪水計(jì)算結(jié)果偏小。推理公式法推求洪水的基本條件是設(shè)計(jì)暴雨與設(shè)計(jì)洪水同頻率,洪峰流量除了決定于降雨量、降雨強(qiáng)度和降雨過程的時(shí)空分布等因素外,還受匯流條件、土壤的入滲等因素制約。根據(jù)金陵河的歷史洪水資料情況,省市各級(jí)部門曾多次對(duì)金陵河洪水資料,進(jìn)行調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和分析,調(diào)查資料比較可靠,故可以通過對(duì)歷史洪水的分析計(jì)算,進(jìn)而推求設(shè)計(jì)流域的洪峰流量。考慮到金陵河特大洪水多來自上游,同時(shí)考慮到工程運(yùn)行過程中的安全性,故工程玉池村段和金河鎮(zhèn)段洪水采用推理公式法成果,八里村段和金陵四橋段100 年一遇洪水采用歷史調(diào)查洪水的洪水計(jì)算成果。四種方法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪峰流量成果結(jié)果見表3。

表3 不同方法計(jì)算各斷面設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

同時(shí),為了論證本次洪水選取結(jié)果的合理性,先后收集到金陵河流域項(xiàng)目區(qū)附近已經(jīng)批復(fù)的洪水計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比分析,具體分析過程如下：

1）玉池村段、金河鎮(zhèn)段。根據(jù)批復(fù)的《關(guān)于寶雞市金陵河新街鎮(zhèn)段防洪工程初步設(shè)計(jì)的批復(fù)》文件：金臺(tái)區(qū)（寺溝村和葛河村）段10 年一遇洪水洪峰流量為581 m3/s,其控制流域面積為406.2 km2；縣功鎮(zhèn)葫蘆溝村段20 年一遇洪水洪峰流量為777 m3/s,其控制流域面積為361.1 km2。利用面積比擬法換算至玉池村段、金河鎮(zhèn)段設(shè)計(jì)斷面,經(jīng)計(jì)算分析兩者計(jì)算成果相差分別為0.53%和2.64%,故認(rèn)為玉池村段、金河鎮(zhèn)段洪峰流量計(jì)算值是合理的。

2）八里村段。根據(jù)批復(fù)的《關(guān)于金陵河八里村～秦家河大橋段堤防工程初步設(shè)計(jì)的批復(fù)》文件：該段河道100 年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為1200 m3/s,而八里村段工程末端位于秦家河大橋以上1 km 處且中間無較大支流匯入,兩者計(jì)算結(jié)果僅相差3.99%,故認(rèn)為本次八里村段百年一遇洪峰流量計(jì)算成果是合理的。

3）金陵四橋段。根據(jù)批復(fù)的《關(guān)于金陵河秦家河大橋至十八孔橋段防洪工程初步設(shè)計(jì)的批復(fù)》文件：該段河道100 年一遇洪峰流量為1290 m3/s,其控制流域面積為427.1 km2；利用面積比擬法換算至金陵四橋設(shè)計(jì)斷面,得工程段100 年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為1266 m3/s。同時(shí),本次金陵四橋段控制流域面積為415 km2,100 年一遇洪峰流量為1173 m3/s。兩者計(jì)算成果相差僅為7.89%,故認(rèn)為本次金陵四橋段100 年一遇洪峰流量計(jì)算值是合理的。

4 結(jié)語

中小流域大多都缺乏實(shí)測(cè)水文資料,因此推求中小流域設(shè)計(jì)洪峰流量一直是設(shè)計(jì)中小流域水利工程中的一個(gè)難點(diǎn)[3]。在無實(shí)測(cè)徑流資料或?qū)崪y(cè)徑流資料很少時(shí),對(duì)于流域洪峰流量的計(jì)算主要通過水文比擬法、歷史洪水調(diào)查法、經(jīng)驗(yàn)公式法和推理公式法,本工程同時(shí)采用四種方法進(jìn)行洪峰流量計(jì)算。

通過金陵河流域設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算,反映出對(duì)于陜西省部分無資料地區(qū),中小流域洪峰流量計(jì)算時(shí),歷史洪水對(duì)洪峰流量計(jì)算成果的影響較大,應(yīng)該引起足夠的重視,特別是在保護(hù)對(duì)象比較重要、防洪標(biāo)準(zhǔn)比較高時(shí)必須進(jìn)行歷史特大洪水的調(diào)查考證；同時(shí),應(yīng)該重點(diǎn)放在對(duì)多種計(jì)算結(jié)果的合理分析與選取以及計(jì)算結(jié)果需要結(jié)合當(dāng)?shù)亓饔虻膶?shí)際情況進(jìn)行可靠性的驗(yàn)證,經(jīng)過一系列的可靠性及可行性分析,才能給出一個(gè)合理的計(jì)算結(jié)果。因此,在今后中小流域設(shè)計(jì)洪峰流量的計(jì)算過程中應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面把握：

（1）歷史洪水對(duì)洪峰流量計(jì)算成果的影響較大,應(yīng)該引起足夠的重視,特別是在保護(hù)對(duì)象比較重要、防洪標(biāo)準(zhǔn)比較高時(shí)必須進(jìn)行歷史特大洪水的調(diào)查考證。

（2）利用歷史洪水調(diào)查法計(jì)算洪峰流量時(shí),需重點(diǎn)把握洪水調(diào)查成果的可靠性、調(diào)查洪水重現(xiàn)期的確定。

（3）在同一個(gè)項(xiàng)目的水文計(jì)算中,不一定完全以一種計(jì)算方法的成果為準(zhǔn),可根據(jù)實(shí)際情況分別選取。

（4）在同一個(gè)流域的水文計(jì)算過程中,應(yīng)注意上下兩段洪水計(jì)算成果的協(xié)調(diào)性、合理性；同時(shí)注意與本流域已批復(fù)水文計(jì)算成果的協(xié)調(diào)一致性。