蘭州新區(qū)四眼井沙溝設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算

毛 力，楊昌斌，王 振

（蘭州新區(qū)水務(wù)設(shè)計(jì)研究院有限公司，蘭州 蘭州新區(qū)730300）

蘭州新區(qū)是甘肅省管轄的國(guó)家級(jí)新區(qū)，也是我國(guó)西北地區(qū)第一個(gè)國(guó)家級(jí)新區(qū)，還是甘肅對(duì)外開放的重要窗口和門戶［1］。地處隴西黃土高原的西北部，南北長(zhǎng)約73 km，東西寬約32 km，規(guī)劃總面積1744 km2，地理坐標(biāo)為北緯36°17′15″～36°43′29″，東經(jīng)103°29′22″～103°49′46″［1］。

研究區(qū)域位于蘭州新區(qū)上川鎮(zhèn)以西，范圍包括秦王川盆地北部的構(gòu)造剝蝕低中山區(qū)和山前沖洪積扇，涉及的主要溝道為四眼井沙溝，該溝道發(fā)源于盆地北部的野雞嶺子山脈，流域范圍介于東經(jīng)103°26′～103°38′、北緯36°40′～37°00′之間，集水面積為125 km2，平均縱坡比降15.2‰，主河槽長(zhǎng)度21.5 km。

蘭州新區(qū)無地表長(zhǎng)流水，洪水主要是夏秋兩季多雨期強(qiáng)降雨匯流形成的山區(qū)洪水。四眼井沙溝主要導(dǎo)排來自新區(qū)西北山區(qū)溝道的洪水，承接著將上游來水注入劉家井水庫的作用，關(guān)乎下游主城區(qū)事、企業(yè)單位、人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，研究四眼井沙溝流域洪水，不僅對(duì)劉家井水庫的建設(shè)、后期運(yùn)營(yíng)具有指導(dǎo)參考意義，還對(duì)蘭州新區(qū)北片區(qū)防洪對(duì)策的建設(shè)具有重要意義。

1 暴雨計(jì)算

暴雨參數(shù)利用《甘肅省暴雨特性研究》以及黃河干支流區(qū)主雨峰分配類型進(jìn)行分析計(jì)算。1小時(shí)、3小時(shí)、6小時(shí)、24小時(shí)點(diǎn)雨量及值由等值線圖查得。點(diǎn)雨量、面雨量計(jì)算成果見表1、表2。產(chǎn)流期平均入滲率以甘肅黃土區(qū)平均入滲率公式計(jì)算，產(chǎn)流計(jì)算結(jié)果見表3。

表1 點(diǎn)雨量計(jì)算結(jié)果 單位：mm

表2 面雨量計(jì)算結(jié)果 單位：mm

表3 地面產(chǎn)流計(jì)算結(jié)果 單位：mm

2 洪水計(jì)算

2.1 瞬時(shí)單位線法

（1）計(jì)算原理

瞬時(shí)單位線是指流域上分布均勻、歷時(shí)趨于無窮?。处→0）、強(qiáng)度趨于無窮大、總量為一個(gè)單位的地面凈雨在流域出口斷面形成的地面徑流過程線。一個(gè)單位的瞬時(shí)入流通過n個(gè)水庫演進(jìn)，即可導(dǎo)出瞬時(shí)單位線基本公式［2］。

式中：n為反應(yīng)流域調(diào)蓄能力的參數(shù)；K為線性水庫的蓄泄系數(shù)；Γ為伽馬函數(shù)，利用EXCEL內(nèi)置函數(shù)GAMMADIST計(jì)算。

表4 瞬時(shí)單位線參數(shù)地區(qū)綜合關(guān)系表

（2）計(jì)算參數(shù)選擇

研究區(qū)域按照甘肅黃土區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。采用的瞬時(shí)單位線匯流參數(shù)計(jì)算參數(shù)見表5，計(jì)算成果見表6，圖1。

表5 瞬時(shí)單位線 匯流參數(shù)計(jì)算參數(shù)

表6 瞬時(shí)單位線法計(jì)算結(jié)果

圖1 計(jì)算成果圖

2.2 推理公式法

推理公式法被廣泛應(yīng)用于小流域暴雨洪水計(jì)算，公式中的參數(shù)具有明顯的地區(qū)性，考慮了不同流域參數(shù)的影響，反應(yīng)不同流域的實(shí)際情況，特別適用于流域面積30 km2～300 km2的情況［3］。

全面匯流tc≥τ計(jì)算公式：

式中：hτ表示連續(xù)τ時(shí)段內(nèi)的最大凈雨；tc為產(chǎn)流歷時(shí)；m為匯流參數(shù)，根據(jù)附近地區(qū)實(shí)測(cè)資料和《甘肅省水文圖集》查算；F為出口斷面以上流域面積，km2；L為出口斷面以上主溝道長(zhǎng)度，km；J為溝道平均比降，‰；τ為匯流時(shí)間，h。匯流參數(shù)m=2.5h-0.623θ0.637，流域特征參數(shù)

推理公式法計(jì)算結(jié)果見圖2。推理公式法設(shè)計(jì)洪峰流量成果見表6。

圖2 各頻率推理公式法計(jì)算結(jié)果

表6 推理公式法設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算結(jié)果

2.3 SCS-CN水文模型

2.3.1 模型原理

SCS模型產(chǎn)流計(jì)算公式［4］：

式中：P為降雨總量，mm；R為徑流量，mm；Ia為初損量，即徑流開始前的損失量，主要包括蒸發(fā)、植被截留、地表填洼蓄水等，mm；S為流域當(dāng)時(shí)的最大可能滯留量，mm，它是后損量的上限；λ為初損系數(shù)，是一個(gè)無量綱區(qū)域參數(shù)且λ＞0。

由于S值的變化范圍很大，不便于取值，因此引入無因次參數(shù)CN來推求S。

CN是反映降雨前流域特征的綜合參數(shù)，反映流域前期土壤濕潤(rùn)程度（AMC）、坡度、植被、土壤類型和土地利用狀況的綜合特性，可以較好地反映下墊面條件對(duì)產(chǎn)匯流過程的影響。

2.3.2 模型應(yīng)用

根據(jù)模型參數(shù)查表值，結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況，統(tǒng)籌考慮土壤類型、植被類型、降雨前后下墊面變化，CN值取77.3［5，6］，λ值取0.1298［5，6］。模型計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 SCS-CN水文模型計(jì)算結(jié)果

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)《蘭州新區(qū)總體規(guī)劃》和《蘭州新區(qū)防洪專項(xiàng)規(guī)劃（2011-2030）》，蘭州新區(qū)防洪工程保護(hù)對(duì)象蘭州新區(qū)為II等城市，結(jié)合蘭州新區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，新區(qū)立足于建設(shè)現(xiàn)代化、高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)新區(qū)，最終確定蘭州新區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)。

因?yàn)樘m州新區(qū)無長(zhǎng)系列水文資料，系無水文資料地區(qū)，也無常流態(tài)地表水，因此研究成果無法進(jìn)行對(duì)比分析。通過運(yùn)用《甘肅省暴雨特性研究》、黃河干支流區(qū)主雨峰分配類型等較為成熟的經(jīng)驗(yàn)暴雨計(jì)算法，以及涉及下墊面變化、土壤類型、土地利用情況、土壤空間的不均勻性等優(yōu)點(diǎn)的SCS-CN水文模型計(jì)算法分別計(jì)算了研究區(qū)域產(chǎn)流量，即34.3 mm、37.8 mm，經(jīng)與皋蘭縣相同頻率年平均降雨量（427 mm）進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：兩組數(shù)據(jù)百年一遇產(chǎn)流量相差10.2%，相差程度較小，基本符合研究區(qū)域?qū)嶋H產(chǎn)流量。由于SCS-CN水文模型是美國(guó)相關(guān)部門在美國(guó)地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式，其計(jì)算參數(shù)的取值只適合美國(guó)本土土壤下墊面環(huán)境，雖然參考了目前較為成熟的相關(guān)研究成果，但該方法使用在研究區(qū)還是具有一定的局限性，因此研究推薦使用適合蘭州新區(qū)且較為成熟的經(jīng)驗(yàn)暴雨計(jì)算法計(jì)算得到的成果，即34.3 mm。

基于單因素方差法，對(duì)瞬時(shí)單位線法、推理公式法計(jì)算的各降雨頻率成果進(jìn)行平均值差異的顯著性分析，計(jì)算結(jié)果見表7。在置信度95%情況下，瞬時(shí)單位線法Prob值小于0.05、推理公式法的Prob值大于0.05，說明瞬時(shí)單位線法各降雨頻率計(jì)算值彼此之間差異性顯著，推理公式法各降雨頻率計(jì)算值彼此之間差異不顯著，即瞬時(shí)單位線法計(jì)算成果相對(duì)于推理公式法計(jì)算成果更符合實(shí)際降雨情況。同時(shí)考慮到研究區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)園區(qū)的不斷擴(kuò)增擴(kuò)產(chǎn)，為確保研究區(qū)域周邊防洪安全，洪峰流量計(jì)算成果宜選取相對(duì)較大計(jì)算方法。綜上所述，研究推薦采用瞬時(shí)單位線法計(jì)算得到的成果，即百年一遇洪峰流量532 m3/s。

表7 單因素方差分析法結(jié)果

4 結(jié)論

研究利用瞬時(shí)單位線法、推理公式法、SCS-CN水文模型法分別計(jì)算了劉家井水庫上游流域四眼井沙溝的匯流量、產(chǎn)流量，為蘭州新區(qū)今后區(qū)域防洪對(duì)策的建設(shè)提供一定的理論基礎(chǔ)。

（1）匯流量推薦采用瞬時(shí)單位線法計(jì)算結(jié)果，頻率為0.5%、1%、2%、5%、10%、20%、50%的洪峰流量分別為646 m3/s、532 m3/s、419 m3/s、288 m3/s、201 m3/s、128 m3/s、28.3 m3/s。

（2）產(chǎn)流量推薦采用《甘肅省暴雨特性研究》以及黃河干支流區(qū)主雨峰分配類型進(jìn)行分析計(jì)算的結(jié)果，頻率為0.5%、1%、2%、5%、10%、20%、50%的區(qū)域產(chǎn)流量分別為42.2 mm、34.3 mm、26.7 mm、18.3 mm、12.7 mm、8.6 mm、2.0 mm。