小沙河治理工程設計洪水計算探討

黃 河

(鄭州大學 水利與環(huán)境學院，河南 鄭州 450002)

隨著建庫蓄洪、筑堤疏河、開溝引渠等大量工程措施不斷醞釀規(guī)劃和相繼付諸實施，“十二五”規(guī)劃大綱明確提出要“加強水利基礎設施建設，在繼續(xù)推進大江大河治理基礎上，積極開展重要支流、湖泊和中小河流治理，增強城鄉(xiāng)供水和防洪能力”[1]，中小流域正成為當前農(nóng)田水利基礎建設的熱點和重點地區(qū)。設計洪水是水利工程設計中關鍵和先行的環(huán)節(jié)，其量值影響甚至決定了工程的規(guī)劃和規(guī)模，而中小流域地區(qū)暴雨流量等水文資料相對匱乏，工程分布廣、規(guī)模普遍較小且主要受洪峰流量控制的特點給設計洪水計算帶來了困難，目前應用較廣泛的是陳家琦于上世紀中葉提出的水利科學院推理公式[2，3]。文獻本文結合小沙河治理工程實例，對推理公式在豫南山丘區(qū)中小流域設計洪水推求中的形式、參數(shù)率定和算法等特點進行了闡述和探討，并對公式推求成果合理性進行了驗證。

1 流域及工程概況

小沙河系淮河二級支流，發(fā)源于河南省南部信陽市商城縣蘇仙石鎮(zhèn)，流經(jīng)商城縣、固始縣5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在固始縣汪棚鄉(xiāng)注入史河支流石槽河，史河與灌河在固始縣城北蔣集匯合成淮河一級支流史灌河。小沙河流域地處大別山北麓，是由山區(qū)、丘陵至平原的過渡地帶，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的季風溫潤區(qū)。流域總面積371.5km2，干流河道長61.65km。其中，小沙河中上游40km干流流經(jīng)商城縣境內(nèi)低山丘陵區(qū)，平均比降為1/200;下游地形開闊，地勢平緩，河道平均比降為1/2000。

小沙河治理工程位于商城縣境內(nèi)小沙河中上游山丘區(qū)。小沙河現(xiàn)狀上游河道窄淺坡陡且無控制性工程，中下游河道彎曲淤積、泄洪不暢，堤防和排澇設施缺乏或損毀嚴重，河道防洪、排澇標準偏低，一旦上游發(fā)生暴雨，極易形成洪澇災害。此次治理按照山丘區(qū)河道生態(tài)治理的原則對小沙河豐集鎮(zhèn)與曹家崗間河道進行開挖疏浚、堤防整修、險工處理和防汛道路修建。工程除澇標準為5年一遇，防洪標準為10年一遇。工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級，次要和臨時建筑物級別為5級，河道堤防工程級別為5級。如目前該項目已列入《全國中小河流治理和中小水庫除險加固專項規(guī)劃》中，計劃于2013年實施。

工程控制斷面流域特征如表1所示。

表1 工程控制斷面流域特征Tab.1 drainage compositions of engineering control sections

分別參照《84圖集》、《05圖集》相關圖表，查取流域重心處年最大10min，1h，6h，24h的點雨量均值 Ht和變差系數(shù)Cv，選用偏態(tài)系數(shù)Cs=3.5Cv，計算各歷時設計頻率(5%，10%，20%)點雨量Ht，p;查“河南省短歷時暴雨時面深(t-F-a)關系圖”得點面折減系數(shù)a，則各歷時設計頻率面雨量 H＇t，p=aHt，p。根據(jù)當?shù)厮挠嬎闶謨砸?guī)定將24小時暴雨進行時程分配。參照不同圖集查取的暴雨特征參數(shù)見表2。

2 設計暴雨計算

2.1 水文氣象資料

小沙河流域?qū)僦脖惠^好的淮南各支流淺山區(qū)，根據(jù)“河南省山丘區(qū)水文分區(qū)圖”，確定該區(qū)域所在水文分區(qū)為I區(qū)。受季風及地形條件的影響，流域內(nèi)降水時空分布不均，每年6～9月降雨量占全年的54～58%，且常以暴雨形式出現(xiàn)。產(chǎn)生暴雨的天氣系統(tǒng)主要是冷鋒、氣旋波和低渦。雨季一般在7月上旬到9月上旬，大暴雨主要發(fā)生在7、8月，以7月下旬到8月上旬最多，暴雨持續(xù)時間多在1～3天。暴雨造成小沙河流域洪汛頻繁，據(jù)調(diào)查，建國至1988年近40年間，有22年發(fā)生過大的洪災，上世紀九十年代至今也發(fā)生了4次較大洪災，其中2002年、2004年小沙河上游山區(qū)局部暴雨，河水暴漲致使豐集鎮(zhèn)近岸低洼處被淹，并引起下游河段普遍漫溢。

本流域及鄰近地區(qū)缺乏實測暴雨和洪水流量資料。根據(jù)豫水辦[2007]7號“河南省水利廳關于試行《河南省暴雨參數(shù)圖集》(2005年版)的通知”規(guī)定，利用1984年河南省水利設計院編印的《河南省中小流域設計暴雨洪水圖集》[4](以下簡稱《84圖集》)和河南省水文水資源局2005年12月編制的《河南省暴雨參數(shù)圖集》[5](以下簡稱《05圖集》)查算成果相分析比較來確定設計暴雨及洪水。

2.2 設計暴雨計算

表2 暴雨統(tǒng)計參數(shù)匯總表Tab.2 summary sheet of storm statistical parameters

3 產(chǎn)流計算

分別利用參照《84圖集》、《05圖集》所算24小時設計雨量，查“河南省山區(qū)丘陵地區(qū)降雨徑流關系”中I線得24小時設計凈雨深R24。該區(qū)域降雨最大初損Imax為50mm，設計前期影響雨量Pa規(guī)定如下:50年一遇以上暴雨Pa=Imax，10～20年一遇設計暴雨Pa=2/3Imax。根據(jù)當?shù)厮挠嬎闶謨裕瑢?4小時凈雨概化時程進行分配，如圖1、圖2所示。

4 匯流計算

4.1 推理公式法基本公式

工程控制流域面積為128.3km2，小于200km2，可采用推理公式法計算設計洪水，其基本公式[4]為:

式中:Qm，p為設計洪峰流量(m3/s);ψp為洪峰徑流系數(shù)，全面匯流時采用式(3)計算;τ為洪峰匯流歷時(h);F為控制流域面積(km2);L為主河道長度(km);J為主河道平均坡降;Sp為設計最大1小時雨量平均強度，即雨力(mm/h);ntp為設計暴雨遞減指數(shù)，根據(jù)歷時長短進行劃分:τ小于1h取n1p，τ=1～6h取n2p，τ=6～24h取n3p;m為匯流參數(shù);μ為平均入滲率(mm/h)。

4.2 推理公式法參數(shù)率定及求解

工程治理河道長度較短且區(qū)間無較大支流匯入，工程采用治理終點曹家崗處設計洪水成果。曹家崗斷面流域特征見表1;當?shù)厮挠嬎闶謨砸?guī)定水文分區(qū)Ⅰ區(qū)μ值按2～3mm/h控制，結合工程區(qū)水文地質(zhì)特征，取μ=3mm/h;匯流參數(shù)m參照當?shù)厮挠嬎闶謨灾孝駞^(qū)θ～m相關線查取，流域綜合特征值θ按式(4)計算;此次設計洪水計算中不涉及到暴雨遞減指數(shù)n1p，n2p和n3p按式(5)和(6)計算，暴雨遞減指數(shù)計算成果見表3。

式中:H＇t，p為設計頻率年最大歷時 t面雨量(mm)。

表3 暴雨遞減指數(shù)計算成果匯總表Tab.3 summary sheet of rainstorm decline index

計算洪峰流量需確定洪峰匯流歷時τ，τ的計算式(2)中包含未知參數(shù)Qm，p，需采用試算迭代的方法對洪峰流量進行求解。筆者在excel中建立式(1)和式(2)的聯(lián)動求解模型，模型參數(shù)率定如前述。當輸入洪峰流量試算值時，就會輸出一個洪峰流量值作為響應。利用excel的單變量求解工具，將洪峰流量試算輸入值作為可變單元格，洪峰流量試算值與其響應值之差作為目標單元格，目標值設為0。進行單變量求解后的目標單元格數(shù)值與響應值相等，即為所求的設計洪峰流量，推理公式法計算成果見表4。

4.3 設計洪水成果分析與采用

根據(jù)淮河流域及小沙河綜合治理規(guī)劃，信陽市水利局先后于2011年初和2012年底對小沙河下游固始縣境內(nèi)保豐寺至土河入河口(以下簡稱保～土段)6.85km長的河道及磨盤山至保豐寺(以下簡稱磨～保段)5.27km長的河道進行了治理。其中，磨～保段位于保～土段的下游且兩段相連，起點磨盤山處與上游此次治理終點間主河道長度約10km。磨～保段和保～土段工程控制流域面積分別為268km2和279km2，均大于200km2，設計洪水均采用治理段終點處的淮上法計算成果。將保～土段土河入河口和磨～保段保豐寺處淮上法設計洪水成果作為參證值，分別采用水文比擬法控制流域面積比的0.75次方推求曹家崗處洪峰流量，并與推理公式法設計洪水成果進行對比，如表4所示。

表4 小沙河設計洪峰流量計算成果表Tab.4 results of design peak flow of Xiaoshahe river regulatioin engineering

雖然保～土段和磨～保段設計洪水采用淮上法計算，但兩河段處于此次小沙河治理段的下游且水文地質(zhì)條件相近，其設計洪水水文比擬成果對驗證推理公式法成果的合理性仍具有參考意義。觀察表4知，推理公式法設計洪水成果基本處于保～土段和磨～保段設計洪水水文比擬成果之間，成果偏差亦在允許范圍內(nèi)，說明推理公式法設計洪水成果合理，同時此次治理與下游治理河段采用的5年一遇除澇、10年一遇防洪標準相一致，可以保證了同一河流上下游間設計洪水成果的協(xié)調(diào)。

由表4知，參照《05圖集》的推理公式法設計洪峰成果接近且大于《84圖集》計算成果，相對偏差不大于10%。由于《84圖集》和《05圖集》設計雨洪查算圖表間存在差異，導致查取的暴雨統(tǒng)計參數(shù)有所偏差，繼而引起設計暴雨洪水計算成果的不同。《84圖集》是根據(jù)1975年淮河流域上游發(fā)生特大暴雨后，河南省參與的水利電力部組織分析編制全國年最大短歷時點暴雨參數(shù)等值線圖和暴雨徑流查算圖表相關工作的分析應用成果匯編而成，采用的水文資料系列為1951～1980年。但近20年來，我省增加了大量暴雨資料，許多地區(qū)發(fā)生歷史最大或較大暴雨，暴雨量級不斷刷新。與《84圖集》相比，《05圖集》采用的資料系列為1951～2000年，系列延長近1倍，并增加了3天暴雨統(tǒng)計參數(shù)資料，充分運用了地理信息系統(tǒng)等計算機技術，采用了目前我省暴雨方面最全面最系統(tǒng)的研究成果。因此，從工程安全性和資料來源可靠性考慮，此次小沙河治理工程推薦采用參照《05圖集》的推理公式法設計洪峰成果。

5 結語

本文結合小沙河治理工程實例探討了推理公式在豫南山丘區(qū)中小流域設計洪水計算的應用，通過與下游已治理河段設計洪水水文比擬成果對比分析表明，推理公式法設計洪水成果合理可靠，保證了同一河流上下游間設計洪水成果的協(xié)調(diào)。但通過水文圖集查取暴雨統(tǒng)計參數(shù)不可避免地會產(chǎn)生人為誤差，查算精度較低，造成設計雨洪計算成果不準確。建議水利部門加大對中小流域水文觀測站點的建設，以滿足中小流域水利工程設計中對實測洪水流量的需求。

[1]中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要[M].人民出版社，2011.

[2]徐德龍，肖華.小流域設計洪水推理公式計算方法探討[J].人民長江，2000.

[3]陳家琦，張恭肅.小流域暴雨洪水計算[M].北京：水利電力出版社，1985.

[4]河南省中小流域設計暴雨洪水圖集[M].河南省水利設計院，1984.

[5]河南省暴雨參數(shù)圖集[M].河南省水文水資源局，2005.