寧夏荒漠區設計洪水計算分析研究
——以靈武市馬家灘礦區南湖工程水文分析為例

馮平秀/寧夏水文水資源勘測局中衛分局

寧夏荒漠區設計洪水計算分析研究
——以靈武市馬家灘礦區南湖工程水文分析為例

馮平秀/寧夏水文水資源勘測局中衛分局

設計洪水計算是工程設計的技術依據。本文以靈武市馬家灘礦區南湖工程水文分析計算為例，就寧夏荒漠區暴雨洪水特點、設計洪水計算以及成果合理性分析進行了論述，提出荒漠區設計洪水計算中要結合實地勘察合理選取參數，同時產流計算要充分考慮損失，為今后同類地區計算設計洪水提供參考。

設計洪水；荒漠區；寧夏

1 引言

寧夏荒漠區洪水調查資料缺乏，設計洪水計算屬于無資料地區，需用暴雨推求設計洪水，在計算過程中，產匯流計算需要根據實地情況合理選取參數，以保證計算結果合理可靠，本次以靈武市馬家灘礦區南湖工程水文分析為例，分析荒漠區設計洪水計算過程中需要注意的問題及特點。

2 工程所處流域概況

工程區位于靈武市馬家灘鎮以南，鹽池縣馮記溝鄉以北。地處毛烏素沙漠西南邊緣，位于鹽池內流河流域，屬低緩的半沙漠緩坡丘陵地貌單元。地形多呈梁崗狀臺地及封閉型洼地，部分地區零星分布著流動沙丘，形成風積地貌。梁崗多呈南北向分布，頂部寬闊平緩，低緩丘陵梁崗之間的廣大地區屬沖洪積平原，地勢較為平坦寬闊，無明顯的山洪溝道。局部地帶形成很多封閉型洼地，為地表水和地下水匯集地，地下水多為高礦化咸水，由于長期蒸發濃縮作用，形成一系列鹽堿地和鹽池。工程控制流域以風蝕為主，洪水溝道不明顯或為風沙掩埋，僅馬家灘鎮西北方有較為明顯的流水溝道，平日無地表徑流，屬于風沙干旱區。

3 水文要素

項目區多年平均降水量240.0mm，由南向北遞減。降水年際變化大，年內分配不均，主要集中在7、8、9三個月，占全年降水量的59.0％。多年平均水面蒸發量1500mm（E601型蒸發器）。11月至次年3月為結冰期，水面蒸發量小，最小月出現在氣溫最低月的1月份、12月份。春季風大，氣溫回升，蒸發量增大，最大月蒸發量一般出現在5、6月份。干旱指數為6.3，為干旱區。

流域的徑流年內分配不均，主要集中在汛期6～9月，與降水年內變化相應。年際變化很大，最大、最小相差7.9倍。該流域多年平均年徑流量90.3萬m3，多年平均徑流量偏差系數Cv值為0.65，偏態系數Cs=2.0Cv，其保證率為50％、75％的設計徑流分別為78.0萬m3、47.0萬m3。

區域多年平均輸沙模數1000t/km2，年輸沙總量60.2萬t，輸沙量主要集中在6～9月，占全年輸沙總量的98.2％。

4 暴雨洪水特性

4.1 暴雨特性

該區域處于干旱區，暴雨的發生有明顯季節性，6～9月正是太平洋副熱帶高壓極盛時期，暖濕氣流大量輸送，形成中小尺度切變、低渦，和本地的冷空氣配合，輻合上升運動較強，易形成雨強大、歷時短、籠罩面積小的局地暴雨。暴雨持續時間短、強度大，點面折減快，極易造成災害。各年發生暴雨次數不等，暴雨一般集中在每年的6～9月。

4.2 洪水特性

該區域洪水特性與暴雨特性相應，即年際變化大，有明顯的季節性、地區性。洪水大小及發生次數與暴雨強度、歷時、籠罩面積等因素有關。

區域暴雨洪水不均勻的特性較為明顯，洪峰流量隨流域面積的增大而緩慢增加，一般為單峰，復式洪峰較少。洪峰流量大小與產流面積、暴雨集中程度、歷時有關。歷時短，洪峰陡漲陡落，峰高量小，峰型尖瘦，洪水歷時一般在3～6h。

5 設計洪水

該流域內沒有實測水文資料，采用暴雨資料推求設計洪水，依據《寧夏暴雨洪水圖集》、《寧夏干旱半干旱區小流域暴雨洪水泥沙研究》及新修訂的寧夏不同歷時暴雨參數等值線圖。由于工程控制范圍大，在計算中選取了多個斷面分別進行計算，計算方法一致，本文僅以3號斷面（56.82km2）為例進行設計洪水計算分析。

5.1 設計暴雨

該區域1小時、6小時各保證率設計點雨量均值為17.5mm、32.0mm。設計最大點雨量參數，1小時Cv=0.72，6小時Cv=0.68，Cs=3.5Cv。

表1 計算斷面各保證率設計點面雨量表

5.2 設計洪水

5.2.1 產流計算

根據工程設計頻率和不同歷時點雨量均值及統計參數等值線圖，求出該流域設計點雨量，然后根據不同計算分區、面積、重現期等選擇點面折減系數，求得不同保證率的面雨量。該區選用同頻內包雨型，然后由面雨量過程以扣損法計算產流過程。

產流公式如下：

Ri=Hi-fi

Ri－為產流期某時段凈雨 (mm)；

Hi－為產流期某時段面雨量 (mm)；

fi－為產流期某時段損失水量（mm）；

《寧夏暴雨洪水圖集》產流區劃分中該項目區屬于黃土丘陵II1區。隨著資料系列延長，《寧夏干旱半干旱區小流域暴雨洪水泥沙研究》對產匯流區進一步的細化，該項目區屬于風沙干旱區中的沙漠區。根據實地勘察，結合與該區域地形地貌相近的鹽池王樂井鄉歷史洪水資料，本次產流區采用《寧夏干旱半干旱區小流域暴雨洪水泥沙研究》中的沙漠區扣損公式計算。同時考慮流域內沒有成型溝道，洼地比較多，土壤下滲比較大，暴雨形成的徑流邊匯流邊下滲，到達計算斷面的洪水逐步減少，所以本次平均損失率在沙漠區的基礎上系數加大10％計算公式如下：

5.2.2 匯流計算

匯流計算是根據推求的設計凈雨過程 Ri推求流域出口斷面的洪水流量過程，采用納希瞬時單位線法推求。按瞬時單位線原理，就是凈雨歷時趨于零的極小時段內產生的一個單位凈雨（1mm凈雨深）在出口處所形成的流量過程線，其公式為：

式中：t——時段變量；

u(t)——為t時的瞬時單位線的縱坐標；

n,k——為瞬時單位線形狀參數；

Γ(n)——伽瑪函數

據上式可導出時段單位線方程式為：

式中： q(Δt·t)面積為F的流域上，t時段內凈雨量為1mm的單位線在t時段的縱坐標，以m3/s計;

Δt——計算時段長（h）；

[S(t)- S(t-Δt)]簡寫為ΔS(t)，稱為Δt小時無因次時段t時的縱高。一般以μ(Δt·t)表示。

5.2.3 計算參數

在計算瞬時單位線，進行洪水演進時，須求得參數n，k，滯時M，計算公式如下：

n=1.22L0.231，K=M1i/n，M1i=0.148L0.9i-0.093

i——產流區平均凈雨強度（mm/h）；

L——概化長度（km）。

5.2.4 計算成果

通過計算，斷面10年、20年、30年一遇暴雨基本不產生洪水，主要由于該區域地形比較平坦，土壤基本為沙土，下滲量比較大，加之沙生植物生長，流域內無明顯溝型，降雨基本全部下滲。結合鹽池縣王樂井鄉歷史洪水分析，948洪水分析成果“沙漠區一般20～30一遇暴雨基本不產生洪水，50年一遇產生正常洪水的一半，百年以上暴雨才能產生較大洪水（約10～20年一遇）”。計算成果與歷時洪水調查結果基本一致，符合實際情況。

表2 斷面各保證率設計洪峰流量、洪水總量表

6 成果合理性分析

該流域內沒有實測水文資料，本次利用Google Earth對本區域下墊面條件與90年代進行對比分析，該區域現狀植被覆蓋率較90年代有了較大幅度提高，主要是近二十年來封山禁牧的效果。地形條件基本沒有變化，本次采用地貌類型與該流域非常接近的鹽池縣9408暴雨洪水成果比較分析。

6.1 設計暴雨的合理性

鹽池縣9408暴雨洪水長城以北斷面集水面積17.4km2，6小時點雨量83.7mm，重現期24年一遇，本次計算項目區30年一遇6小時點雨量85.4mm，與長城以北調查斷面相差2.0％。八堡斷面集水面積66.5km2，6小時點雨量151mm，重現期246年一遇，本次計算項目區300年一遇6小時點雨量141mm，與八堡斷面調查值相差6.6％。從點雨量均值等值線圖分析，本區域1h、6h點雨量均值比鹽池縣城附近略小，說明本次計算值是合理的。

6.2 設計洪水的合理性

6.2.1 暴雨與洪水頻率

根據鹽池縣948暴雨洪水計算，八堡斷面暴雨的重現期為246年一遇，長城以北區域暴雨的重現期為24年一遇，洪水重現期分別為45年、2年。說明該區域洪水重現期遠小于暴雨的重現期。鹽池縣948暴雨洪水調查各分區暴雨與洪水頻率對照表見表3。

表3 各分區暴雨與洪水頻率對照表

本次分析成果中，重現期30年以下的暴雨基本不產生洪水，超過50年的暴雨才產生洪水的結論是合理的。

6.2.2 洪峰模數

“948”暴雨洪水成果中調查的八堡斷面調查洪峰流量98.0m3/s，調查重現期45年一遇，計算洪峰流量154m3/s，計算洪峰重現期195年一遇。計算與調查值相差較大，主要原因是控制區域內的洪水無行洪溝道，調查斷面只控制了本區域來水的一部分，因此，調查洪峰值偏小。八堡斷面調查洪峰模數1.47，計算洪峰模數2.32，本分析成果中與八堡斷面控制面積接近的3號斷面控制流域面積56.82km2，計算面積27.41km2，采用6小時同頻內包雨型計算設計洪水，與6小時面雨量同頻的設計洪水，300年一遇洪峰模數1.83，介于八堡斷面調查洪峰與計算的洪峰模數之間。由于八堡調查斷面洪水沒有全部控制，所以調查值偏小，洪峰模數也偏小，本次計算洪峰模數略大于八堡斷面調查的洪峰模數，基本合理。

表4 設計洪水與鹽池948暴雨洪水八堡斷面調查值對比表

6.2.3 徑流系數

（1）根據苦水河流域郭家橋水文站實測暴雨洪水資料統計分析，其徑流系數多在0.08～0.11之間。

表5 苦水河郭家橋歷史大洪水分析成果對照表

（2）根據鹽池縣948暴雨洪水調查成果，暴雨降水總量達5373萬m3，真正形成的洪水總量僅為714萬m3，徑流系數平均為0.13。

鹽池縣948暴雨洪水調查成果中，八堡斷面暴雨的重現期為246年一遇，徑流系數0.15，長城以北區域暴雨的重現期為24年一遇，徑流系數0.02。說明調查斷面的徑流系數與暴雨重現期關系密切，暴雨重現期越稀遇，徑流系數越大，反之越小。且該區域洪水重現期遠小于暴雨的重現期。與八堡斷面面積接近的3號斷面300年一遇降水總量649.5萬m3，相應的洪水總量44.6萬m3，徑流系數0.07，比郭家橋水文站和八堡調查斷面徑流系數小。

表6 調查斷面徑流系數分析對照表

經與該區域鄰近的水文站實測資料分析及調查洪水資料對比分析，考慮該區域的地形、地貌特點及流域產匯流條件及實地勘察情況，由于該區域沒有成型溝道，洼地較多，經與90年代植被覆蓋率相比，植被覆蓋度有了較大幅度提高。因此，相比948調查暴雨洪水情況，徑流系數偏小是合理的。加之區域內洼地較多，降水一部分下滲，形成徑流的部分通過植被截蓄，部分匯入就近洼地，實際匯入計算斷面的洪水比較小。因此，徑流系數也小。所以，本次設計洪水計算的逐項成果是合理。

7 結論

（1）對于水文站分布較少，且缺乏實測資料的荒漠區，設計洪水一般采取暴雨推求。

（2）荒漠區土壤以風沙土為主，結構松散，侵蝕嚴重，肥力脊薄，降雨入滲比較大，相應暴雨產流過程中，扣損較其他地區偏大。

（3）寧夏荒漠區雖無明顯溝道或洪水較少，但仍然有大暴雨及較大洪水發生，而且部分行洪溝道是當次暴雨形成，洪水過后被風沙掩埋，所以在計算設計洪水時需根據實地勘察合理選取參數計算。

（4）重現期30年以下的暴雨基本不產生洪水，超過50年的暴雨才產生洪水的結論是合理的

[1]SL44-2006，水利水電工程設計洪水計算規范[S].(SL44-2006.

[2]SL278-2002，水利水電工程水文計算規范[S].(SL278-2002.

[3]DL/T5431-2009，水電水利工程水文計算規范[S].(DL/T5431-2009.

[4]譚維炎，張維然，等.水文統計常用圖表[z].北京：水利出版社，1982.

[5]魏禮寧，馬如國，等.寧夏回族自治區水資源調查評價[R].寧夏：寧夏人民出版社，2005.