青海省化隆縣黑城溝“20160814”洪水重現期分析

任亮明

(民和縣水利管理站，青海 民和 810800)

0 引 言

2016年8月14日，黑城溝流域發(fā)生洪水，化隆縣牙什尕鎮(zhèn)局部河段防洪堤被沖毀，造成了重大的經濟損失。因此，開展黑城溝洪水調查，確定最大洪峰流量以及確定重現期對今后災情評估具有十分重要意義。

1 基本概況

1.1 流域概況

黑城溝發(fā)源于拉脊山脈南麓，河源海拔3 400 m，地勢總體北高南低。自北向南流經雙格達、扎拉毛、扎巴鎮(zhèn)、拉讓灘、拉公麻村、完尕灘、下多巴村等，最后經牙什尕鎮(zhèn)入黃河，溝道寬度為45～70 m，呈U型不對稱，自然坡度10°～15°。

黑城溝流域的防洪工程溝道相對高差約100 m，耕地及村莊分布于溝道兩岸I、II 級臺地上，階面寬50～500 m，略傾向于河床。溝道治理段前半段I 級臺地較窄，右岸斜坡臺地高于河床2.0～30 m，左岸盤龍曲瑪村高于河床30 m左右；后半段黑城溝出口的沖積山，臺地較開闊右岸高于河床1.5 m左右，左岸河床基本持平。

1.2 氣候特征

化隆縣牙什尕鎮(zhèn)地處中緯度內陸高原，屬典型的大陸性氣候，冬季漫長，夏季涼爽，氣候干燥，氣溫日差較大，無霜期短。降水量在時空分布上很不均勻，時間上冬春較為干旱，夏秋則常有局地暴雨和連陰雨發(fā)生，日照時間長，日照充足，太陽輻射強，年日照時數2 373～2 910 h，區(qū)內多年平均氣溫8.4℃，年平均最高氣溫19.8℃，年平均最低氣溫-5.5℃，年無霜期170天，最大凍土深度82 cm，年降水量291.5 mm，6-9月份降雨量最多，占全年降雨量的77%。年蒸發(fā)量為1 450 mm，年平均風速為2.0 m/s，最大風速為17 m/s。

2 洪水調查

2.1 歷史洪水調查成果

據《青海省洪水調查及水文分析資料》[1]中黃河流域共和、貴德、化隆、循化所屬主要支溝洪水調查成果表記載，黑城溝附近左岸黃河一級支流雄先溝、昂思多溝等發(fā)生過25～100年一遇的暴雨洪水。洪水調查資料中記載的主要為黑城溝流域上游小支溝的歷史洪水調查成果，見表1。

表1 黑城溝流域主要支溝洪水調查成果表

2.2 黑城溝流域“20160814”洪水

1990至2015年期間，該河流曾發(fā)生過3～4次大洪水。其中1990年洪水最大，洪水漫過河流右岸公路，下游三叉路口居民地被淹，未聽父輩說過該河流發(fā)生過更大的大洪水。由于歷史洪水發(fā)生時間較早，河床為砂礫石，沖淤變化較大，且河道近期受人類活動影響較大，不易確定歷史洪水洪痕位置。

2016年8月14日20時30分至8月15日凌晨3時，化隆縣牙什尕、查甫、扎巴、昂思多4鄉(xiāng)鎮(zhèn)境內遭遇強降雨天氣，致使4鄉(xiāng)鎮(zhèn)44個村、10 000人受災。此次降雨持續(xù)時間長、強度大，4鄉(xiāng)鎮(zhèn)農作物、基礎設施及家庭財產損失嚴重。

本次洪水調查對此次洪水受損最嚴重的4 km河段進行了查勘，通過實地查勘、被訪者指認，查勘河段洪水沖刷嚴重，痕跡明顯。為確保此次洪水調查的準確性，走訪調查了化隆縣牙什尕鎮(zhèn)下一村村民：此次洪水發(fā)生在2016年8月14日晚上，持續(xù)時間短，水量大，洪水夾雜著大量的泥沙和樹木等漂浮物等，洪水呈紅褐色，十分黏稠。

按照《水文調查規(guī)范》[2]要求，洪水調查所選擇的河段應基本順直，河床相對穩(wěn)定，斷面形狀沿程變化不大，無卡口、急灘及較大的深潭，水流通暢，無明顯回流區(qū)和其它阻水現象，洪痕明顯。洪痕水面線沒有明顯轉折，洪調河段無支流加入及分流現象，大水時無流向分叉及斜流現象。黑城溝溝道流域面積207 km2，溝道長度為29 km，平均比降60‰。洪水調查斷面選擇在黑城溝牙什尕鎮(zhèn)入黃河口段，地理坐標為E101°56′，N36°04′。調查河段布設上、中、下3處斷面，各斷面間距50 m，用四等水準施測橫斷面、縱斷面及洪水痕跡高程，洪水調查大斷面及洪痕見圖1。

圖1 洪水調查大斷面圖及洪痕圖

2.3 洪峰流量確定

根據《比降-面積法測流規(guī)范》(SL 174-1985)[3]，洪峰流量采用恒定非均勻流公式計算：

(1)

黑城溝2016年8月14日調查洪水成果見表2。

表2 黑城溝洪水調查成果統(tǒng)計表

3 設計洪水計算

由于黑城溝流域沒有實測洪水資料，根據文獻[4-6]等規(guī)定，對于無資料地區(qū)，設計洪水的計算方法主要有洪峰流量模數法、設計暴雨推求設計洪水、地區(qū)經驗公式和水文比擬等方法。根據計算區(qū)域的暴雨洪水特性，通過合理性分析后確定符合實際的設計洪水成果。

3.1 洪峰流量模數法

(2)

3.2 設計暴雨推求設計洪水法

3.2.1 設計暴雨

3.2.2 產流計算

影響黑城溝流域產流的主要因素是降雨量和雨強，分析降雨量和損失之間的關系時，主要考慮雨強的影響。采用扣損法進行產流計算，計算公式：

(3)

式(3)中參數μ0，D，ɑ選用《青海省東部地區(qū)暴雨洪水圖集》中綜合外延后淺山腦山混合區(qū)的值，即μ0=37 mm/h，D=42，ɑ=0.30。采用試算法求解μ和tc，用μ值在設計暴雨時程分配圖主雨峰處進行平割，求得設計凈雨R。

3.2.3 匯流計算

采用推理公式進行匯流計算。目前水利部門最為廣泛應用的推理公式形式是水科院法，屬于半推理半經驗的概念性模型。其基本形式為：

(4)

當τ≤tc時，洪峰流量Qm系由全部流域面積上τ時段內的最大凈雨所形成，即全面匯流，計算公式為：

(5)

當τ>tc時，洪峰流量Qm系由部分流域面積上tc時段內的全部凈雨所形成，即部分匯流，計算公式為：

(6)

3.3 經驗公式法

《青海省水文手冊》[8]中點繪了重現期為1 000，500，200，100，50，20，10年年最大流量與流域面積的關系，綜合后共分成9個區(qū)，分別建立了相應的經驗公式。根據黑城溝流域面積，計算相應設計頻率的最大流量。

3.4 水文比擬法推求設計洪水

水文比擬法適合流域自然、地理、氣候下墊面條件相似的地區(qū)和具有上下游關系及區(qū)間無其它支流匯入的設計洪水計算[9]。計算公式：

Q設=(F設/F參)2/3Q參

(7)

式中：Q設為設計斷面的洪峰流量，m3/s；Q參為參證水文站的洪峰流量，m3/s；F設為設計斷面的面積，km2；F參為參證水文站的面積，km2。

黑城溝和巴燕溝同屬黃河左岸一級支流，面積相近，巴燕溝上設有化隆水文站，流域面積217 km2，河道平均比降40.2‰，資料代表性好，采用化隆水文站作參證站進行黑城溝的設計洪峰流量計算。

4 設計洪水計算結果選取

黑城溝流域不同頻率的設計洪峰流量采用推理公式法、洪峰流量模數法、經驗公式和水文比擬法進行了計算。不同方法計算成果比較見表3。

從表3中可以看出，計算結果差異較大。究竟采用何種方法的結果較為合理更接近實際情況，需從4種方法的假定條件及適用情況出發(fā)對比分析合理確定。

推理公式屬于半推理半經驗的概念性模型，該法有兩個假定：一是假定很多由暴雨形成洪水的環(huán)節(jié)全流域一致(平均)；二是假定匯流符合線性規(guī)律。這與實際不相符，導致結果產生誤差；經驗公式法是建立在某地區(qū)和鄰近地區(qū)的實測洪水和調查洪水資料基礎上，探求地區(qū)經驗性的規(guī)律。由于受地區(qū)內各站降水均勻程度及流域內自然地理條件的影響，使用該方法有一定的局限；水文比擬法是以化隆水文站的年最大流量與面積所定的關系移用到黑城溝流域的，是在假定參證站與設計站洪峰流量模數相同的基礎上進行的，采用化隆水文站計算黑城溝流域設計洪水結果偏?。缓榉辶髁磕档戎稻€圖考慮了流域下墊面的變化情況，是統(tǒng)計分析和地區(qū)綜合的結果，此方法相對正確合理。

綜上所述，考慮防洪工程的安全，選用洪峰模數等值線法計算的設計洪峰流量更為合理，結果可信度較高，可作為黑城溝設計洪水的最終結果。黑城溝流域20年一遇設計洪水流量104 m3/s，其值與《青海省化隆縣黑城溝防洪工程初步設計報告》[10]中的成果接近(Q5%=96.25 m3/s)。

5 結 論

1) 通過對黑城溝流域2016年8月14洪水進行實地踏勘、調查、訪問、洪水調查，采用恒定非均勻流公式計算洪峰流量為132 m3/s。

2) 對黑城溝流域設計洪水分別采用推理公式法、經驗公式法、洪峰流量模數法和水文比擬法，進行不同重現期的設計洪水計算。按照“多種途徑，綜合分析，合理選定”的原則，并從防洪安全角度考慮，確定黑城溝流域采用洪峰模數等值線法計算的設計洪水成果，即100年、50年、30年、20年和10年一遇設計洪水流量分別為179，146，123，104和74.1 m3/s。

3) 2016年8月14日發(fā)生的暴雨洪水洪峰流量為132 m3/s，相當于調查斷面40年一遇的洪水。