中小河流水面線推算成果驗證方法探討

譚鑒利，王海元

1.廣東珠榮工程設計有限公司，廣東 廣州 510610

2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010

設計水面線對水利工程設計方案、工程規模、工程量、征（占）地、工程投資的影響較大。河道水面線推算受河道縱橫斷面、設計洪水、涉河建筑物、糙率、起推水位、洪水遭遇、計算模型等因素的影響，為了避免計算結果失真，需驗證水面線推算成果。一般中小河流為無資料地區，歷史洪水調查是驗證設計水面線的可行方法。按照水文調查規范進行全面洪水調查的工作量大、耗時長、費用高。因此，文章根據中小河流保護對象的防洪標準，選擇同頻暴雨洪水進行針對性調查。經過驗證可知，該方法簡捷、高效、經濟。

1 水面線推算方法

文章選擇HEC-RAS軟件計算河道水面線。

1.1 軟件介紹

HEC-RAS軟件是一個由美國工程水文中心開發的河道水力計算程序，其計算結果已經得到大量工程驗證。HECRAS包括河道穩定、非穩定流的一維水力計算，能分析計算各種涉水建筑物水面線。

1.2 模型計算原理

（1）一維恒定流水面線計算基本原理為一維能量方程：

式中：Z1、Z2分別為上、下斷面河底高程；Y1、Y2分別為上、下斷面水深；v1、v2分別為上、下斷面平均流速；α1、α2分別為上、下斷面動能修正系數；g為重力加速度；he為水頭損失，包括摩阻水頭損失、局部收縮擴散水頭損失兩部分。

（2）橋梁壅水計算原理。在橋、涵等涉水建筑物建模方面，HEC-RAS主要考慮3項能量損失：①建筑物上游收縮能損；②由建筑物自身結構，如橋墩、涵洞口、溢流面等造成的能量損失；③建筑物下游擴散能損。

2 驗證方法

根據中小河流保護對象的防洪標準，選擇同頻暴雨洪水進行針對性調查，以設計水面線與調查洪痕點的擬合情況判斷成果的合理性。

2.1 設計暴雨確定

（1）頻率分析法。流域內有長系列面暴雨量資料時，按年最大選樣法組成各時段面暴雨量系列并審查代表性后，進行頻率分析。經驗頻率公式為

式中：Pm為經驗頻率；m為序號；n為樣本容量。

頻率曲線采用皮爾遜Ⅲ型曲線進行適配線，確定暴雨均值、Cv、Cs等參數。設計面暴雨計算公式為

式中：Hp為設計面暴雨；H平均為暴雨均值；Kp為P-Ⅲ曲線模比系數。

（2）間接計算法。流域內短缺面暴雨量資料時，采用間接計算法，先查算流域中心附近的設計點暴雨量，再按點-面關系間接計算設計面暴雨量[1]。流域所在地區基本已繪制暴雨參數等值線圖，按流域中心點位置可查取各歷時暴雨參數（均值、Cv、Cs等），查詢流域點-面轉換系數α，確定設計面暴雨，具體公式如下：

2.2 同頻率洪水調查

對中小河流，可進行非固定點洪水調查，調查的主要內容如下：（1）洪水發生的時間；（2）最高洪水位痕跡、洪水歷時及漲落變化情況；（3）河段發生洪水時的河床組成，灘地植被情況及沖淤變化情況；（4）施測洪痕高程、河道縱橫斷面、簡易地形平面；（5）洪水來源、成因及組成情況；（6）與洪水相應的流域降水情況；（7）與洪水有關的文獻文物的考證及影像資料；（8）洪峰流量、洪水總量和洪水過程的推算和分析[2]。

3 實例分析

3.1 流域概況

（1）河道。柏塘河位于廣東省博羅縣，是東江二級支流、公莊河一級支流，流域集水面積279.65km2。發源于楊村茶山，主流向大致從西向東，流經柏塘鎮白嶺、黃新、陂頭、坳頭、山前、新陂、柏塘鎮區、石湖、楊村鎮塘角村、陳村、埔心，于楊村鎮區匯入公莊河。柏塘河流域集水面積279.65km2，干流河長37.66km，干流坡降3.60‰。

（2）洪水特性。河道洪水主要由降雨匯流形成，每年4—9月為暴雨洪水期，年最大洪水主要集中在5、6月份。

3.2 設計水面線推算

（1）設計洪水。柏塘河無實測流量資料，設計洪水由設計暴雨推求。設計洪水采用廣東省綜合單位線法和推理公式法計算分析，最終采用廣東省綜合單位線方法計算的設計洪水成果[3]。柏塘河河口控制斷面10年一遇設計洪峰為982m3/s。

（2）斷面資料。文章推算河道水面線采用的斷面資料為2019年5月實測的河道縱橫斷面資料，計算斷面的選擇和間距充分考慮河道斷面形式、河道平面形態的變化和跨河建筑物的分布，選取斷面共90個，斷面間距100m，并考慮沿河水陂、橋涵的阻水作用。

（3）河道糙率。根據計算河段河床、岸坡等特征參考地區類似工程，糙率取0.033。

（4）起推水位。P=10%起推水位采用博羅縣公莊河治理工程初步設計報告的水位成果。

（5）水面線計算結果。根據設計洪水、實測斷面、河道糙率、起推水位，采用HEC-RAS建立模型推算柏塘河水面線。

3.3 同頻洪水選擇

柏塘河無實測流量、水位系列資料，不能采用洪水系列資料P-Ⅲ適線查頻選定洪水典型年，因此文章假定設計暴雨與設計洪水同頻率，以暴雨量為依據選擇同頻洪水。

（1）歷史暴雨量調查。根據柏塘河沿岸居民、地方水利工作人員及相關洪水記錄反饋，洪水災害較嚴重的年份為2005年、2014年、2019年。結合相關記錄，可得暴雨實測值，暴雨量調查表如表1所示。

表1 暴雨量調查表

（2）同頻洪水選擇。根據《廣東省暴雨參數等值線圖（2003年）》可查取各歷時暴雨參數（均值、變差系數Cv等），由此可間接計算設計面暴雨，柏塘河設計面暴雨計算表如表2所示。

表2 柏塘河設計面暴雨計算表

2005年洪水發生于6月19日至22日，柏塘河流域內分布較均勻的梅樹下、獨松、柏塘雨量站實測暴雨量平均值為362mm，與表2中設計面暴雨H72h（P=10%）353mm相近，該場次洪水發生時間、地區組成、洪水成因、洪水歷時等方面基本能代表柏塘河流域10年一遇洪水的特性，因此文章選取2005年洪水作為10年一遇典型洪水。

3.4 洪水調查驗證

（1）2005年洪水調查。2006年4月，地方結合公莊河防洪治澇規劃要求，對2005年洪水進行了調查。調查時間與洪水發生時間相隔不到一年，洪水痕跡明顯、可靠，具有代表性。柏塘河調查洪痕點3個，分別為金龍橋、大井、老圍，經測量其洪痕高程分別為27.03m、28.23m、28.67m。

（2）水面線驗證分析。2005—2019年，柏塘河研究河段控制集水面積、河寬、河道走勢基本不變，河床坡降基本不變，僅局部受沖淘或人類活動影響有所下切。因此，2005年洪痕點基本可代表10年一遇洪水水面線。水面線對比分析表如表3所示，推算的水面線（P=10%）與2005年洪水洪痕點高程相差-0.04～0.22m，水位相差較小，說明推算的水面線成果較合理，可滿足地方防洪排澇及發展建設方面的要求。

表3 水面線對比分析表

4 結束語

文章采用HEC-RAS軟件推算河道水面線，基本假定為設計暴雨與設計洪水同頻率，選擇同頻暴雨洪水進行調查。由洪痕點驗證可知，設計水面線推算成果合理。采用同頻暴雨洪水驗證水面線的方法可行性和可靠性較高，并且高效、經濟，可供類似中小河流參考。