西安市鄠邑區(qū)栗峪河平原區(qū)斷面洪水分析計算

杜耀輝，趙 瑩

（西安景天水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司，陜西 西安 710018）

0 引言

本次計算斷面位于栗峪河與太土路交匯處，斷面位于栗峪河峪口以下，屬于平原區(qū)，但由于栗峪河洪水主要來自于山區(qū)洪水，且本次計算斷面至峪口斷面區(qū)間集水面積小于峪口斷面控制流域面積的5%，故本次以栗峪河峪口斷面作為本次水文計算控制斷面，計算不同頻率下的洪峰流量，根據(jù)五萬分之一地圖量測，水文計算控制斷面以上流域特征參數(shù)見表1。

表1 水文計算控制斷面特征參數(shù)統(tǒng)計表

1 暴雨及洪水特征

栗峪河屬于澇河流域，暴雨最早發(fā)生在4月，最遲出現(xiàn)在10月，但量級和強(qiáng)度較大的暴雨一般發(fā)生在7月～9月。暴雨一般分為鋒面雨和雷暴雨兩種，鋒面雨歷時長，強(qiáng)度均勻，籠罩面積大，雷暴雨籠罩面積小，強(qiáng)度大，歷時短，栗峪河山高坡陡，河短流急，匯流迅速，洪水陡漲陡落。

澇河流域的洪水主要由暴雨形成。洪水最早出現(xiàn)在4月，其峰量較小，年最大洪水主要發(fā)生在7月～9月，根據(jù)澇河澇峪口水文站實(shí)測資料統(tǒng)計，7月～9月年最大洪水占80%左右。10月由于受淋雨影響，亦有洪水發(fā)生。從洪水出現(xiàn)的時間上可分為春汛和夏汛兩類，春汛水量遠(yuǎn)不及夏汛多，且漲落緩慢；夏汛洪水峰高量大，陡漲陡落，危害較大，多發(fā)生于7月～8月份。

2 水文基本資料

澇河上游有國家基本水文站—澇峪口水文站，該站設(shè)立于1944年，監(jiān)測項(xiàng)目為水位、流量、含沙量、降水量、輸沙量，連續(xù)監(jiān)測至今，期間經(jīng)歷4次斷面遷移，最大位移距離822 m，于2007年元月遷移至原設(shè)立處，站址位于東經(jīng)108°32′，北緯34°01′，控制流域面積347 km2，該站為國家基本測站，測驗(yàn)規(guī)范，計算方法合理，成果可靠。

3 水文站洪水分析計算

3.1 歷史洪水及重現(xiàn)期

陜西省水利廳曾組織專家進(jìn)行澇河流域歷史洪水的調(diào)查工作，根據(jù)調(diào)查，澇河流域近百年左右共發(fā)生過三次特大洪水，即1898年，1957年和1987年。澇峪口水文站設(shè)立于1944年，未觀測到1898年洪水，1957年、1987年兩場洪水均有實(shí)測洪峰流量。

根據(jù)《陜西省洪水調(diào)查資料》整編成果，在近100年左右發(fā)生的三次大洪水中，1898年洪水洪峰流量1070 m3/s為最大，距離2020年已經(jīng)122年，本次水文頻率分析中將其重現(xiàn)期定為120年，1957年洪水實(shí)測洪峰流量904 m3/s，排在第二位，1987洪水實(shí)測洪峰流量為640 m3/s，排在第三位。由于1957年和1987年洪峰流量在1898年洪水控制下按照特大值處理與在74年的長系列中排頻頻率基本相同，因此，本次不將1957年和1987年洪水作為特大值處理。

3.2 洪水系列代表性分析

3.2.1 資料可靠性分析

澇峪口水文站為國家水文站，水文資料均為水文年鑒整編成果，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

3.2.2 資料一致性分析

澇河澇峪口水文站以上有小型水電站工程一處，對洪水過程無調(diào)節(jié)；澇峪口水文站斷面有過幾次遷移，但遷移距離較小，且無支流匯入，洪水形成的下墊面條件基本不變，流量資料不受斷面遷移的影響，因此澇峪口水文站實(shí)測洪峰流量資料具有很好的一致性。

3.2.3 資料代表性分析

通過對澇峪口水文站1944年～2017年74年實(shí)測水文資料的序列豐、枯變化規(guī)律分析和統(tǒng)計參數(shù)穩(wěn)定分析，澇峪口水文站站洪水資料長達(dá)74年，包括了豐、平、枯時段，同時洪水序列正逆序均值、變差系數(shù)CV隨歷時變化也趨于穩(wěn)定，因此澇峪口站洪水系列具有較好的代表性。

3.3 澇峪口水文站成果分析及選用

通過上述分析，澇峪口水文站洪水計算采用1944年～2017年洪峰系列，按不連序系列進(jìn)行頻率計算，經(jīng)驗(yàn)頻率采用數(shù)學(xué)公式計算，統(tǒng)計參數(shù)為矩法初步估算，采用P—Ⅲ型曲線目估適線，適線時著重考慮曲線中、上部的較大洪水點(diǎn)。頻率曲線見圖1，統(tǒng)計參數(shù)及不同頻率洪峰流量見表2。

表2 澇峪口水文站洪峰流量頻率計算成果表 單位：m3/s

圖1 澇峪口站P—Ⅲ頻率曲線成果圖

4 洪水計算

依據(jù)《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》（SL 44-2006），無資料地區(qū)洪水分析須采用多種方法進(jìn)行，因此，本次設(shè)計采用《西安市實(shí)用水文手冊》（后續(xù)簡稱“水文手冊”）提供的水文比擬法、經(jīng)驗(yàn)公式法和暴雨資料推求法進(jìn)行分析計算，并對其成果進(jìn)行合理性分析后，得出水文控制斷面處洪水成果。

4.1 水文比擬法

式中：Q設(shè)、Q參分別為水文控制斷面、參證站設(shè)計年最大洪峰流量，m3/s；F設(shè)為水文控制斷面以上流域面積，km2；F參為參證站控制流域面積，km2。

通過上式計算可得，水文控制斷面不同頻率洪峰流量見表3。

表3 洪峰流量計算成果表 單位：m/s3

水文比擬法采用下式計算：

4.2 經(jīng)驗(yàn)公式法

根據(jù)《水文手冊》，當(dāng)流域面積小于50 km2時，經(jīng)驗(yàn)公式法采用下式計算：

式中：QN為重現(xiàn)期為N的設(shè)計洪峰流量，m3/s；n、KN為重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；F為設(shè)計流域面積，km2。

設(shè)計洪峰流量成果見表4。

表4 洪峰流量計算成果表 單位：m3/s

4.3 根據(jù)暴雨資料推求設(shè)計洪水

暴雨資料推求法主要計算步驟為：推求設(shè)計暴雨及其分配過程；進(jìn)行產(chǎn)流計算，推求設(shè)計凈雨量及凈雨過程；進(jìn)行匯流計算，推求設(shè)計洪峰流量，計算過程及成果如下：

4.3.1 設(shè)計點(diǎn)雨量推求

根據(jù)《水文手冊》設(shè)計歷時表分配，當(dāng)控制流域面積小于50 km2時，設(shè)計暴雨歷時宜采用6 h，以流域幾何中心位置在《水文手冊》中查得1 h、3 h、6 h的暴雨均值Ht及變差系數(shù)CV，以CS=3.5CV，由P-Ⅲ型曲線模比系數(shù)表查得對應(yīng)頻率的KP值，然后根據(jù)HtP=KP×Ht求得設(shè)計頻率的點(diǎn)暴雨量，成果見表5。

表5 點(diǎn)雨量計算成果表

4.3.2 設(shè)計面雨量推求

根據(jù)《水文手冊》面暴雨量計算規(guī)定，當(dāng)流域面積小于50km2時，用該流域中心的點(diǎn)雨量來代替面雨量，不乘點(diǎn)面系數(shù)。

4.3.3 設(shè)計面雨量時程分配

根據(jù)《水文手冊》暴雨區(qū)劃分，以II南區(qū)暴雨概化雨型進(jìn)行暴雨時程分配，計算時段取Δt=1 h，成果見表6。

4.3.4 產(chǎn)流和凈雨過程

水文控制斷面地處秦嶺山區(qū)，汛期暴雨集中，下滲少，徑流多；漲水歷時短，退水歷時長，產(chǎn)流方式為蓄滿產(chǎn)流，根據(jù)《水文手冊》渭河南地區(qū)最大蓄水量Im=70 mm，前期影響雨量Pa=(2/3)Im=46.7 mm，據(jù)《水文手冊》推理公式在西安市內(nèi)地區(qū)不扣除潛流，成果見表6。

表6 面雨量與產(chǎn)流及凈雨計算成果表 單位：mm

4.3.5 設(shè)計洪水計算

根據(jù)《水文手冊》，匯流參數(shù)m根據(jù)下式計算：

式中：L為水文控制斷面至分水嶺最長距離，km；F為水文控制斷面以上流域面積，km2；J為水文斷面至分水嶺加權(quán)平均比降。

經(jīng)計算：θ=6.34，m=0.25。

再根據(jù)匯流參數(shù)計算匯流歷時：

根據(jù)產(chǎn)流計算累積的凈雨量成果計算相應(yīng)的洪峰流量Qt：

洪峰流量計算時根據(jù)上面兩式分別計算不同歷時的t-Qm、Qm-τ關(guān)系，然后在坐標(biāo)紙上點(diǎn)繪兩條相關(guān)線，其交點(diǎn)坐標(biāo)即為所求洪峰流量Q、匯流歷時τ，計算成果見表7。

表7 洪峰流量計算成果匯總表

5 結(jié)論

將上述三種方法計算成果匯總，匯總成果見表8。

表8 工程區(qū)設(shè)計洪峰流量匯總表 單位：m3/s

從表8計算結(jié)果可以看出，水文比擬法與暴雨資料推求法計算成果較為靠近，經(jīng)驗(yàn)公式法計算成果偏小，對于這三種結(jié)果分析如下：

（1）經(jīng)驗(yàn)公式法是目前采用的洪峰流量計算中最為簡單的一種形式和方法，在計算選用的參數(shù)中沒有考慮到流域的特征值、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和暴雨資料，計算結(jié)果精度有差。

（2）暴雨資料推求法是使用《水文手冊》中總結(jié)西安地區(qū)實(shí)測暴雨洪水資料分析出來的暴雨-洪水關(guān)系，計算過程中采用了流域的特征值、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和暴雨資料，是一套嚴(yán)謹(jǐn)、合理的計算方法，計算成果代表了流域洪水的特性，成果精度相對較高。

（3）水文比擬法以澇峪口水文站為參證站進(jìn)行計算，但兩者控制面積相差較大，本次計算僅為對比參考。

綜上分析，本次推薦以暴雨資料推求法計算成果作為選用成果。