長豐河成縣城區段設計洪水計算及合理性分析

肖玲芳

(甘肅隴南水文水資源勘測局，甘肅 成縣 742500)

1 區域概況

長豐河[1]是嘉陵江一級支流，長江的二級支流，河流全長150.5 km，全流域面積1 800 km2。長豐河80%以上流域面積在甘肅境內，處于徽成盆地成縣境內，流域內洪水相對穩定，主要集中在6-9月，成縣城區以上被稱為青泥河，當較大支流南河匯入后，稱長豐河，干流設有成縣水文站，南河設有南河橋水文站，但資料系列相對較短。長豐河成縣城區段河流比降較小，河道灘地多景觀植物，發生洪水時，糙率相對較大。

2 資料及方法

成縣水文站建站較早，具有近60 a實測洪峰流量和多年洪水調查資料，洪水資料為組成不連續序列樣本資料，采用南河橋水文站實測資料及洪水調查資料[2]，該站系列資料較短，在設計洪峰流量及洪水過程時采用面積比擬法、合成法，利用P-Ⅲ型分布作為理論頻率曲線進行頻率計算。

3 設計洪峰流量計算

3.1 成縣站設計洪峰流量計算

將成縣站的多年實測的最大洪峰流量極值挑選出來，按照從小到大的順序排列起來，根據下述的經驗公式，估算出該站洪峰流量頻率，根據頻率計算重現期[3]。

(1)

當需要對洪峰流量特大值進行處理時，可按照下列經驗公式處理，從而估算出經驗頻率。

(2)

式中：N為樣本總長度；n為實測系列長度；a為特大洪水總數；Mi為第i個特大洪水排序號，m為第i個實測洪水排序號。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：φp可由P和Cs查P-Ⅲ型分布中φ值表得到。

依據上述原理，利用頻率計算程序，計算求得成縣水文站洪峰流量均值為320 m3/s，

Cv=1.40,Cs/Cv=3.0，50年一遇設計頻率對應的洪峰流量為1 790 m3/s。成縣站不同頻率設計洪峰流量計算見表1。

表1 成縣站不同頻率設計洪峰流量

3.2 面積比擬法推求設計洪峰流量(方法一)

長豐河成縣長豐河城區段集水面積為1 101 km2，占成縣水文站集水面積(1 502 km2)的73.3%。可以用面積比擬法[4]把成縣水文站的設計洪峰流量折算為長豐河城區段的設計洪峰流量，用參證站的設計洪峰流量推求設計站的洪峰流量的面積比擬法公式如下：

(7)

式中：Q參、Q設為參證站、設計站的洪峰流量(m3/s)；F參、F設為參證站、設計站的流城面積(km2)。用面積比擬法推求的長豐河城區段設計洪峰流量成果見表2。

表2 長豐河城區段不同頻率設計洪峰流量表

3.3 合成法推求設計洪峰流量(方法二)

長豐河成縣城區段以下3 km處為成縣水文站，中間有較大支流南河匯入。南河橋以上流域面積為375 km2，與長豐河城區段集水面積1 101 km2之和占長豐河成縣站流域面積的98.3%，因此，可以認為成縣站的洪水就是由長豐河上游與南河的洪水合成而來。南河在1985-1990年期間設有南河橋水文站，有6年的實測南河洪峰流量資料，另外還有19 a的年最大洪水調查資料，最大流量資料系列25 a。因而可以用降雨徑流資料或南河與長豐河成縣站的資料插補延長南河的洪峰流量資料，進而對南河的洪峰流量進行頻率計算，然后用成縣站和南河橋站的設計洪峰流量相減得到成縣城區的相應設計洪峰流量資料。

由于雨量站觀測段次的原因，建立的降雨徑流相關關系較差，不宜用來插補延長南河的洪峰流量資料。而長豐河成縣站與南河南河橋站的洪峰流量資料相關關系較好[5]，可以用來插補延長南河橋站的洪峰流量資料。用插補延長后的南河橋洪峰流量系列資料進行頻率計算，計算參數為:均值132 m3/s，Cv=1.40，Cs/Cv=3.0。南河橋水文站設計洪峰流量以及推求出的城區段設計洪峰流量成果見表3。

表3 城區段設計洪峰流量成果(合成法) m3·s-1

4 確定洪峰設計流量

從面積比擬法與合成法得出的長豐河城區段洪峰設計流量結果來看，合成法的結果明顯偏小。由于南河橋水文站實測資料只有6 a，洪水調查資料有19 a，而且較大洪峰流量點據較少，其余26 a洪峰資料全部為插補值，可靠性一般，因而頻率計算結果只能作為參考。另外再考慮到安全因素，選擇面積比擬法的計算成果作為城區段洪峰設計流量的采用結果。根據該成果，成縣長豐河城區段50 a一遇的洪峰流量為1 490 m3/s,100年一遇的洪峰流量為1 910 m3/s。

5 設計洪水過程

選取成縣站1984年8月3日實測最大洪水(洪峰流量為1 210 m3/s)過程，作為成縣城區段典型洪水過程線，采用同頻率放大法推求50年一遇的設計洪水過程[6]。

5.1 設計洪量的計算

經過對成縣水文站實測的1日、3日和7日最大洪量進行頻率分析算，得出不同保證率的洪量數值。再用面積比擬法，推求出成縣長豐河城區段1日、3日和7日最大洪量不同保證率的洪量數值。

采用面積比擬法進行設計河段洪量計算，公式如下：

(8)

一般河流n值為0.7～1.0。計算時，面積比的冪次方n值取經驗值0.9。

5.2 典型洪水過程線

經過對成縣水文站實測資料分析，1984年8月2日2:00-8月9日2:00的洪水過程具有峰高量大、洪水歷時較長的特點，而且是對工程建設偏于不利的復式峰型，因此選作長豐河城區段典型洪水過程[7-8]。其洪峰流量及各時段洪量[9]見表4。

表4 洪峰流量及各時段洪量

5.3 設計洪水過程

在設計洪水過程計算中，本次采用同頻率放大法[6]，由于該城區河段設防標準為50年一遇，按照這個標準，根據以下公式計算：

圖1 設計洪水過程與典型年洪水過程線圖

5.4 設計洪水位計算

根據1964-1967年、1972-1974年、1983-1985年成縣水文站實測糙率及比降資料進行分析，成縣站流量與糙率、流量與比降關系都比較散亂，但存在一定的數值取值范圍。不同流量對應的河床糙率在0.020～0.070之間，水面比降值在5.0/10 000～40/10 000之間。分析上游東河城區段至成縣水文站區間河段的河床組成和平均坡降，以及成縣水文站的實測資料，并考慮到該項目工程建成后的河道狀況，即考慮河堤內側覆土處理、河道內修筑溢水壩、兩岸河堤內種植樹木、修建景觀節點以及河道中間營造濕地公園等工程措施對糙率和水面比降的影響，分不同水位級估算了長豐河城區段三座大橋附近處的糙率和河道水面比降。成果表見表5。

表5 長豐河城區段三座大橋斷面不同頻率設計水位成果表 m3·s-1

6 成果合理性分析

6.1 水位與糙率、比降關系合理性分析

成縣站不同水位級河床糙率在0.020～0.100之間，高水位時，糙率主要在0.035～0.045之間，考慮到該工程建成后，低水有較多硬性建筑物，且河道要彎曲，這些都會增加河床糙率，因此中高水位糙率取0.040～0.045之間，在中低水位最大取至0.070。查《甘肅省天然河道糙率表》，河床糙率選用是合理的。

在實測水面比降資料中，水面比降值在5.0/10 000～45/10 000之間。長豐河城區段計算設計洪水位時，水面比降值在10/10 000～40/10 000之間，與該河段實測的河段縱比降數值接近。再考慮到河道水面附加比降的影響，水面比降選用基本合理。

6.2 洪峰流量成果合理性分析

6.2.1 與鄰近流域資料對比分析

本次對比分析，采用西漢水流域鐔家壩站與長豐河成縣站設計洪水成果對比，結果見表6，以實測系列進行頻率分析，成縣站Cv值1.4,大于鐔家壩站Cv值1.2。符合流域越小，Cv值越大的普遍規律

表6 相鄰流域設計洪水成果對照

6.2.2 與《甘肅省水文圖集》中成果相比較

本次分析計算P=1%及P=2%設計洪水洪峰流量成果，與《甘肅省水文圖集》中設計洪水成果均比較接近，詳見表6。本次計算成果比《甘肅省水文圖集》中成果略小，主要是兩次分析使用實測資料系列長短不一所致。經過以上分析，本次設計洪水成果合理、可靠，可作為該河道工程建設設計依據。

表7 成縣站設計洪水成果對照

6.2.3 水位-流量關系合理性分析

繪制了本次設計水位流量關系曲線，線型趨勢合理，水位流量關系線可靠，由設計流量推求的設計水位時合理的。

7 結語

通過上面的計算，在計算設計洪峰流量及洪水過程時，面積比擬法計算的結果相對準確，而合成法計算的結果偏小，主要原因是南河橋水文站資料系列太短，通過合理性檢查，本次計算的洪峰流量、洪水過程、水位過程合理、可靠，滿足該項目建設的需要，但是在項目建設中，應根據河流實際情況，及時修訂該成果，保證項目建成后的防洪安全。