多種計算在西北城市防洪工程設(shè)計洪水中的對比研究

包璐華

(江蘇省常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州 213000)

1 概述

某研究區(qū)域，遠(yuǎn)離海洋，高山環(huán)繞，是典型的內(nèi)陸干旱區(qū)。水資源以冰川融水、地表徑流、地下徑流等不同形態(tài)存在，多年平均降水量342 mm(1954-2015年)，降水主要發(fā)生在夏季(6-8月)，夏季降水量區(qū)間大多位于20～60 mm之間[1]。東西兩側(cè)為低山丘陵區(qū)，分布有大小15條山洪溝。這些山洪溝植被稀少，集水面積多在幾十平方公里以下，平時大多沒有徑流，但常發(fā)生春季融雪洪水和夏季暴雨洪水。洪水穿過下游人口稠密區(qū)、重要工業(yè)區(qū)和重要交通設(shè)施，給社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生產(chǎn)生活造成極大損失。1980 年該市區(qū)東部山區(qū)春季融雪洪水洪峰流量達(dá)15.0 m3/s[2]，造成東大渠排洪渠發(fā)生漫溢，洪水直下市區(qū)；1979 年4 月市區(qū)西部山區(qū)一帶突降暴雨，數(shù)條山洪溝洪水泛濫，洪水沖入倉庫、街道洪水橫流。據(jù)統(tǒng)計，各類洪水造成的經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)數(shù)億元人民幣[2]。市區(qū)周邊山洪溝作為洪水頻發(fā)地區(qū)，是防洪的重點區(qū)域。

由于山洪溝多數(shù)缺乏實測水文資料，在進(jìn)行洪水計算時，只能采用無資料地區(qū)設(shè)計洪水計算方法[3]。目前，國內(nèi)采用的無資料地區(qū)設(shè)計洪水計算方法主要有: 根據(jù)流量資料推求設(shè)計洪水，如洪峰模數(shù)法、水科院法等；根據(jù)雨量資料推求設(shè)計洪水如推理公式法、產(chǎn)匯流單位線法等，亦可采用地區(qū)經(jīng)驗公式推求設(shè)計洪水。本文選取洪峰模數(shù)法、推理公式法、調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法、面積比指數(shù)法進(jìn)行研究區(qū)設(shè)計洪水計算，并對比分析，推薦適合本地區(qū)的計算公式。

2 研究區(qū)概況

本次計算分析案例，選取位于該市東部山前丘陵地區(qū)的某一灣河。該地發(fā)源于低山帶，為河流支流，主要由基巖裂隙水和大氣降水補給，是一條常年徑流的泉水型河流[4]。該河灣除在山口處)建有0.9 km 防洪渠外，其余均為天然河道，其右岸有兩條較大的山洪溝，洪水類型主要有融雪型洪水、雨雪混合型洪水和暴雨洪水三種類型，河道全長15.78 km，防洪體系為水庫和排洪渠同用的形式。河道兩岸主要為農(nóng)田、居民區(qū)和少量的工礦企業(yè)。受人類活動的影響，一些小山洪溝已沒有明顯的匯流和泄洪通道；此間河道左岸匯水面積小，主要以坡面匯流為主，無明顯洪溝匯入；右岸為低山丘陵區(qū)，有眾多山洪溝，但最終匯集成兩條較大的山洪溝匯入主河道。本次計算選取洪水匯入點斷面作為河道特征水文斷面進(jìn)行分析計算，該斷面匯水面積39.2 km2，河道長度16 km。

計算選擇英雄橋水文站、阜康白楊河水文站兩個國家基本水文站作為參證站。英雄橋水文站是烏魯木齊河水量控制站，地理坐標(biāo)為東經(jīng)87°12′，北緯43°22′，集水面積924 km2[5]，有1958-2016年水文資料；白楊河水文站是阜康市白楊河上游的流域控制站，地理坐標(biāo)為東經(jīng)88°32′，北緯44°03′，集水面積252 km2，1962年10月設(shè)立并觀測至今。

3 洪水計算方法

3.1 推理公式法

推理公式法又稱合理化公式，是利用暴雨數(shù)據(jù)推求小流域設(shè)計洪水的常用方法之一。因該市周邊山洪溝設(shè)計洪水都屬于小流域洪水計算，故采用《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》(SL44-93)推理公式[2，6]，計算方法如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Qmp為設(shè)計洪峰流量，m3/s；Sp為設(shè)計雨力，mm/h；τ為匯流歷時，h；tc為產(chǎn)流歷時，h；n為暴雨衰減指數(shù)，根據(jù)地區(qū)綜合關(guān)系，本次計算中取n1=0.7，n2=0.8；μ為凈雨歷時內(nèi)平均損失率，mm/h；F為流域面積，km2；m為匯流參數(shù)；L為河流長度，km；J為河道平均比降；

計算中，分為全面匯流和部分匯流兩種情況考慮，即當(dāng)tc≥τ時為全面匯流，tc<τ時為部分匯流。根據(jù)不同時段分別選取相應(yīng)的暴雨衰減指數(shù)n1、n2。

3.2 調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法

根據(jù)資料查得沖洪溝區(qū)域最大24小時逐時雨量分配過程，結(jié)合區(qū)域最大24小時設(shè)計面雨量計算逐時設(shè)計面雨量；根據(jù)求得的產(chǎn)流期平均損失率切割逐時設(shè)計面雨量，計算得出產(chǎn)流期平均凈雨強度用以進(jìn)行匯流計算[7]。確定匯流計算時段，依次計算各時段的凈雨流量并進(jìn)行疊加，得到地面徑流過程線，進(jìn)而得到設(shè)計頻率的洪水過程。調(diào)蓄經(jīng)驗單位線基本公式為：

(5)

式中：Qi為各時段流量，m3/s；h為凈雨深，mm；F為流域面積，km2；Δt為計算時段，取2h；μ為凈雨歷時內(nèi)平均損失率，mm/h；

3.3 水科院法

根據(jù)《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范SL44-2006》[6]，水科院法洪峰流量計算公式為：

(6)

式中：Qmp為設(shè)計洪峰流量，m3/s；Sp為最大一小時雨量，mm/h；φ為洪峰徑流系數(shù)；τ為匯流歷時，h；n為暴雨衰減指數(shù)，根據(jù)地區(qū)綜合關(guān)系，本次計算中取0.7；

3.4 面積比指數(shù)法

參考《鐵路工程設(shè)計手冊—橋涵水文》中：流域面積小于100 km2，面積指數(shù)大于0.7，考慮到該灣河出山口后匯水面積大于山區(qū)部分，洪水類型為暴雨型洪水，而選取的白楊河和英雄橋參證站為融雪型+暴雨型洪水，二者之間洪水類型有一定的差別，故本次計算時面積指數(shù)取0.8。但由于本次分析計算的小山洪支溝積水面積均不足1 km2，且縱坡較大，產(chǎn)匯流匯水時間較主溝更短，洪水更易匯集，因而在分析中該灣河及主溝斷面處面積指數(shù)取0.8，小支溝面積指數(shù)取0.7。

4 設(shè)計洪水成果

針對研究區(qū)域的具體情況合理選取相關(guān)參數(shù)，采用上述四種設(shè)計洪水計算方法，分別對兩個參證站、5種設(shè)計頻率下進(jìn)行洪水計算。采用頻率曲線分析法計算理論頻率值，根據(jù)各參證站多年最大1日降水量資料進(jìn)行設(shè)計暴雨計算，參考地區(qū)最大1日降雨量與最大結(jié)果24小時降雨量分析成果，根據(jù)地區(qū)時面深的關(guān)系，將最大日降雨量換算為最大24小時降雨量，小流域由點雨量代替面雨量，由點面雨量折算系數(shù)1.0進(jìn)行換算。線型選用P-Ⅲ型，以目估適線法適線。結(jié)果如表1所示。

對表1分析可知，四種方法計算成果差異性較大，其原因與洪水計算方法的適用性有關(guān)。查閱地區(qū)中小流域設(shè)計暴雨洪水圖集可知：調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法適用于范圍限于50～1 000 km2的中小流域。采用推理公式法計算小流域暴雨洪水，需借助有關(guān)洪水調(diào)查成果率定有關(guān)參數(shù)的選擇范圍。而面積比指數(shù)法是無資料地區(qū)設(shè)計流域與參證流域集水面積相差較大情況下計算設(shè)計流域洪峰流量的有效方法之一。四種方法與相應(yīng)頻率下設(shè)計洪水理論值的偏離率如表2所示。

表1 設(shè)計洪水成果表

表2 不同計算方法設(shè)計洪水偏離率

由表2分析可知：用不同方法計算設(shè)計洪水時，推理公式法、調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法以及面積比指數(shù)法計算的設(shè)計洪水的偏差率具有隨洪水頻率的減小而先減小再增大的趨勢；水科院法計算的設(shè)計洪水的偏差率則呈現(xiàn)出隨著頻率的減小而增大的趨勢。從計算值比較分析可以得出：計算設(shè)計洪水最大偏差為推理公式法2%頻率下的對應(yīng)設(shè)計洪水，偏差40.2%，且推理公式法與產(chǎn)匯流區(qū)下墊面、河道縱坡和匯水面積等有很大關(guān)系，考慮到后期山洪溝實際情況，其計算成果偏大；偏差最小的為水科院法計算的20%頻率下設(shè)計洪水的-9.2%偏離率，雖然與理論頻率值偏差不大，但整體計算成果偏小，綜合下游大學(xué)校區(qū)等防洪安全因素考慮；面積比指數(shù)法計算的5%頻率下的9.7%偏離率，且該種計算方法在其余各頻率下的偏離率也較小，面積比指數(shù)法在最符合實際情況也更為安全。

5 結(jié)語

本次分析的山洪溝匯水面積不超過100 km2，但縱坡較大，根據(jù)城市新區(qū)規(guī)劃，這些山洪溝匯水區(qū)大部分規(guī)劃為綠化用地，少部分較為平坦的規(guī)劃為建設(shè)用地。后期隨著匯水區(qū)下墊面植被條件的改善，對削減洪水有一定的作用。本文通過對推理公式法、調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法、水科院法以及面積比指數(shù)法4種設(shè)計洪水計算方法進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：在對烏魯木齊山洪溝小流域進(jìn)行山區(qū)洪水計算時，缺乏實測水文資料情況下，采用推理公式法、調(diào)蓄經(jīng)驗單位線法設(shè)計成果都偏大，水科院法計算成果偏小，面積比指數(shù)法與理論值最為接近，可靠性和安全性較高，推薦使用。