無資料地區推求設計洪水的探討

陳 茜

(遼寧省水文水資源勘測局遼陽分局，遼寧遼陽111000)

1 概述

遼寧省燈塔市東部為山區，西部為平原，河流多屬山溪性河流，在這些小流域上沒有設立水文觀測站。而隨著人民生活水平的提高水利工程及環境工程也逐漸向鄉鎮發展，這些地方缺少水文資料。采用經驗公式是一種方法。但由于是無實測的水文資料。所以應多種方法進行校正，以下是我們在實際工作中采用洪水調查及分析借用鄰近有水文資料的流域進行洪水計算的一種方法的探討。

葛西河是流經燈塔中心城區的唯一河流，是燈塔新城重點建設的濱水景觀帶。為了緩解景觀帶交通壓力，計劃在葛西河上修建一座跨河大橋，同時加高堤壩，需推求5 a、100 a一遇的洪峰流量和設計水位。

2 基本情況

2.1 流域概況

葛西河是北沙河的支流，發源于燈塔市鏵子鎮榮官屯村和西大窯鄉茨山村東溝。在西馬峰鎮后葛針泡村西高麗荒與幸福河匯流入北沙河。河長32 km，流域面積124 km2。河道比降較大，流急彎多，堤窄，是防洪險工重點地段［1］。

2.2 水文氣象

由于特定地理位置及季風氣候影響，流域內降水量四季變化明顯，年內分配很不均勻。冬季受冷高壓控制，寒冷雪少，歷時較長;春季冷高壓開始北撤，東南季風入侵較晚，一般6月份才進入雨季，7—8月份為降雨全盛時期。受臺風、氣旋等天氣系統影響，較大降水過程一般集中在3 d以內，而且多以暴雨形式出現。最大3 d雨量一般約占年量的15%左右。多年平均年降水量720.8 mm，日最大降雨量156.9 mm。

3 暴雨洪水特性

3.1 暴雨特性

葛西河發生暴雨的天氣系統主要有華北氣旋、低壓冷鋒、江淮氣旋、高空槽、臺風等。這類天氣系統暴雨一般可連續2～3 d，雨型呈東北西南向或西南西到東北東帶狀分布，由于雨量大籠罩面積亦大，故葛西河發生特大暴雨時，相鄰的渾河、太子河都有發生。發生洪水的暴雨日期和洪水日期基本一致，兩者多出現于7、8兩月，約占全年的85% ～95%;其中又以7月下旬、8月上旬為最多，約占全年的56%［2］。

3.2 洪水特性

葛西河洪水過程線的形狀一般為單峰類型，洪水歷時較短。根據調查資料統計，單峰洪水歷時最短1、2 d，相應暴雨為1 d左右，最長 3、4 d，相應暴雨為2、3 d，一般洪水歷時一般為2 d左右。連續兩次洪水為6 d左右，兩次降雨間隔約4 d。

4 設計思路

設計區域位于葛西河中上游，其設計洪峰流量根據《遼寧省中小河流(無資料地區)設計暴雨洪水計算方法》推求。通過洪水調查，采用曼寧公式法計算歷史洪水洪峰流量，水位流量關系。設計洪水位的推求，采用水面曲線法推求各斷面的洪水位，水位流量關系對設計洪水水面線進行驗證分析確定設計洪水水面線。設計區域處水面坡度，參照實測河道縱斷面及歷史洪水水面曲線確定。設計區域河床正斷面，采用斷面測量成果確定［3］。

5 設計斷面流量

5.1 設計洪水流量

設計洪水流量，采用先推求設計暴雨值，然后推求設計洪水的方法。

采用《遼寧省中小河流(無資料地區)設計暴雨洪水計算方法》中推求方法，根據不同歷時的暴雨等值線圖，查出區間的1 h、6 h、24 h、72 h的暴雨均值、Cv值、暴雨指數，Cs采用3.5倍Cv。按下式計算出設計暴雨值，見表1。

同樣，根據下列公式計算出1 h、6 h、24 h、72 h、的設計點雨量。

式中:Ptp為設計歷時暴雨值;n1p、n2p為暴雨折減系數。

表1 設計區域24 h最大暴雨量表 mm

求出設計點暴雨后，然后進行時面深分析，把其轉換成面暴雨量，見表2。100 a、5 a一遇洪峰流量的計算公式為:

表2 葛西河設計區域各斷面設計流量 m3/s

5.2 設計洪峰流量合理性分析

葛西河兆麟東路橋址斷面位于葛西河支流上，設計斷面控制面積為16.5 km2。經過水文分析計算，葛西河兆麟東路設計斷面處設計洪水過程線圖，見圖1。

最后確定葛西河兆麟東路橋址斷面100 a一遇、5 a一遇流量分別為166 m3/s、40.0 m3/s。

圖1 葛西河兆麟東路橋址斷面設計洪水過程線

5.3 設計洪水位計算

采用曼寧公式計算設計洪水位。已知曼寧公式為:

首先假定不同的水位，根據各水位級相應的面積、水力半徑、糙率及水面比降推求相應的流量，然后建立兆麟水位～流量關系曲線，見圖2。

圖2 斷面水位～流量關系曲線圖

通過計算，兆麟東路橋址處斷面100 a、5 a一遇設計洪水流量，見表3。

表3 100 a、5 a一遇設計洪水流量

用此流量在水位～流量關系線上查得相應的水位。即兆麟東路橋址斷面100 a、5 a一遇設計洪水位，見表4。

表4 100 a、5 a一遇設計洪水位

5.4 糙率的選擇

糙率的選定主要是參考《水文測驗手冊》第一冊，《遼寧省水文手冊》并經過現場實地查勘，根據河槽的組成，考慮河槽橫斷面變化、障礙物影響及現有植被、植物等影響后確定。并采用《遼寧省洪水調查資料》對選定的糙率加以認證。糙率值選用0.02～0.04。

5.5 水面坡降的確定

水面坡降參照兆麟東路橋址斷面處河道比降及1995年洪水水面線確定。通過實地測量，設計區域處河道縱比降為0.464‰，1995年洪水水面比降為0.360‰。結合河道縱比降及1995年洪水水面線，最終確定設計區域的水面比降為0.400‰。

5.6 洪水水面線推求設計水位

洪水水面線的計算就是從某控制斷面的已知水位開始，根據有關水文和地形資料，運用水面曲線基本方程式，逐河段推算其它斷面的水位。基本方程式為:

式中:Z1為下斷面的水位高程;Z2為上斷面的水位高程;hf為上下斷面沿程水頭損失;hj為上下斷面局部水頭損失;v1為下斷面的流速;v2為上斷面的流速;a為動能修正系數。

通過對設計洪水水面線與歷史洪水水面線比較分析，設計洪水水面線的水面坡降與歷史洪水水面線水面坡降走勢一致，因而說明推求的水面線是合理的。經計算，兆麟東路橋址處斷面設計洪水位見表5。

表5 兆麟東路橋址處斷面設計洪水位表

5.7 歷史洪水校驗

采用1985年、1995年、2010年洪水對上述水位～流量關系曲線進行校驗。通過調查洪痕，1985年、1995年、2010年葛西河兆麟東路橋址斷面附近水位分別為32.34 m、32.65 m、30.35 m，通過曼寧公式計算1985年、1995年、2010年流量分別為90.9 m3/s、133 m3/s、33.4 m3/s。由所定水位～流量關系曲線查得流量為92.0 m3/s、134 m3/s、31.3 m3/s。

通過以上對比分析，用曼寧公式推求的洪水水位與歷史洪水調查水位基本一致，可以用該水位～流量關系曲線推算100 a、5 a一遇設計洪水水位。

即葛西河兆麟東路橋址斷面處100 a一遇、5 a一遇設計洪水位分別為32.86 m、30.78 m。

6 結語

為保證計算成果的質量，在實際工作中，應充分利用一切資料信息，采用多種計算方法，以互相驗證互為補充，最后按“多種方法，綜合分析，合理選定”的原則計算成果。

［1］曹世惠，柏紹光.由實測暴雨推求設計洪水方法的探討［J］. 水文，2002，22(01):38-40.

［2］王好，管延海.無資料地區推求小流域設計洪水的探討［J］. 吉林水利，2011(11):37-40.

［3］陶新紅.無實測資料小流域推求設計洪水探討［J］.河南水利與南水北調，2010(08):19-20.