某支流設計洪水計算

李曉麗，賈俊杰

(1.山東新匯建設集團有限公司，山東 東營 257091；2.黃河上游水電開發有限責任公司，陜西 西安 710061)

1 概述

淄河在淄川區有峨莊支流、田莊支流、幸福支流、聚峰支流、黑山支流、余糧支流6條支流，總長56.51km，流域面積268.21km2。這6條支流屬于季節性河流，位于淄川區東南部，發源于泰沂山北山區，山高坡短、源短流急，汛期洪水暴漲暴落，易形成洪澇災害。

其中，田莊支流發源于張莊黃歧頂一帶山區，流經梨峪口、田莊、張莊、雙股峪、后香峪、前香峪、孫家莊等7個村后匯入太河水庫，有9條小支流，一座小(一)型水庫(田莊水庫)，干流總長11.5km，流域面積52.33km2。2005—2008年對梨峪口村至孫家莊段進行治理。兩岸砌石堤，治理長度5km。推求田莊支流10a一遇的流量，對于提高淄河河道防洪標準，保護淄川區的人民財產都有積極的意義。

田莊水庫位于東南山區的田莊村西，梨峪口村的南面，是一座以防洪、灌溉為主，兼作養殖等綜合利用的小(一)型水庫，流域面積13km2，總庫容125萬m3，興利庫容100萬m3，死庫容10萬m3，設計灌溉面積200hm2，保護下游田莊等村及政府駐地近3000人的防洪安全。水庫原設計洪水標準50a一遇，校核洪水標準100a一遇，校核洪水位(P=1%)369m，設計洪水位(P=2%)368.45m，正常蓄水位366m。

2 田莊支流設計暴雨的分析計算

2.1 設計雨期

根據《山東省中小河流治理工程初步設計設計洪水計算指導意見》，對于中小河流，設計雨期一般取24h即可滿足設計要求。因此，田莊支流設計洪水計算中雨期取24h。[1]

2.2 設計暴雨計算

田莊支流流域內僅有張莊一處雨量站，實測最大24h暴雨196.1mm，量級不大。根據文獻[2]，在周邊選擇資料系列長、觀測質量好的太河水庫和張莊雨量站資料，進行地區綜合，確定設計暴雨。2個雨量站均為1971年設立，資料系列均在30a以上，滿足規范要求。[3]

利用“山東省國家水文數據庫系統”，[4]采用固定時段年最大值法，統計各站歷年最大24h降雨量，采用皮爾遜Ⅲ型曲線，取Cs=3.5Cv，進行單站暴雨頻率分析[5]。經地區綜合確定流域最大24h點雨量均值83.0mm[6]，Cv值0.53，如圖1所示，見表1。經計算，該流域10a一遇最大24h設計暴雨點雨量為141.1mm[7]。

3 設計斷面與控制單元的劃分

3.1 控制斷面及單元劃分

河道治理工程從治理段起點至終點各斷面的面積是變化的，設計流量也應隨著變化，為了合理反映河道設計流量的變化和工程設計的需要，應將治理河道劃分多個計算斷面。如有較大支流匯入，應在支流入口以下設計算斷面。如果治理河段上游有中、小型水庫等攔蓄工程，應將水庫等攔蓄工程作為一個計算單元，分單元計算設計洪水。綜上，將田莊支流分為2個控制斷面：一個是田莊水庫以上(包括田莊水庫)、樁號7+203，另一個是張莊鄉后圈村以下、樁號4+470，田莊支流出口斷面0+000，共劃分3個單元。

圖1 田莊支流最大24h暴雨地區綜合頻率曲線

表1 最大24h暴雨分析成果表

3.2 各計算單元設計面雨量計算

各單元面雨量計算：用實測資料計算的田莊支流最大24h點雨量分別乘以各單元所對應的點面轉換系數(點面換算系數見《山東省中小河流治理工程初步設計設計洪水計算指導意見》附表2點面換算系數表)，即為各單元最大24h面雨量。各控制單元10a一遇設計面雨量計算成果見表2。

表2 田莊支流各單元10a一遇最大24h面雨量計算表

4 設計洪水的地區組成

根據《山東省中小河流治理工程初步設計設計洪水計算指導意見》，在上游有水庫等攔蓄工程的情況下，需分單元計算設計洪水，下游計算斷面的設計洪水采用同頻率地區組成法。因此，田莊支流治理河段設計洪水計算辦法如下。

4.1 田莊支流全流域和區間設計洪水

首先計算田莊支流全流域10a一遇設計洪水及出口斷面(0+000)至田莊水庫(7+203)區間的10a一遇設計洪水。

4.2 田莊水庫相應設計洪水

田莊水庫10a一遇相應設計洪水計算公式為：

W1=W3-W2

(1)

R相應=W1/F1

(2)

式中，W1—田莊水庫10a一遇相應設計洪量，m3；W2—出口斷面至田莊水庫下游區間設計洪量,m3；W3—全流域設計洪量,m3；R—田莊水庫相應頻率凈雨深,m；F—田莊水庫以上流域面積,m2。

4.3 田莊水庫調洪演算

水庫10a一遇相應設計洪水入庫后，閘門全開，從堰頂高程開始起調，可求得水庫10a一遇泄洪過程線[8]。調節計算時采用水量平衡原理進行調洪演算，基本公式為：

(3)

Q=f(V)或Q=f(H)

式中，I1、I2—時段始、末入流量，m3/s；Q1、Q2—時段始、末出流量，m3/s；V1、V2—時段始、末水庫蓄水量，萬m3/s；Δt—時段長，s；Q=f(V)—水庫蓄水量與泄流量間的函數關系；Q=f(H)—水庫水位與泄流量間的函數關系。

4.4 設計洪水過程線及設計流量

將田莊水庫10a一遇洪水泄洪過程線錯時段與下游河道10a一遇設計洪水過程線疊加，即可求得張莊鄉后圈村及田莊支流出口斷面10a一遇設計洪水過程線及設計流量。

5 設計暴雨日程及時程分配

5.1 設計雨型及其時段長

根據文獻[9]及《山東省中小河流治理工程初步設計設計洪水計算指導意見》確定一般山丘及山丘、平原混合區：

(4)

式中，M1—瞬時單位線參數；F—流域面積，km2；J—河道干流比降，‰；R—凈雨量，mm；Tc—凈雨歷時，h；0.196—一般山丘區瞬時單位線參數，淄河流域田莊支流屬于一般山丘區，故瞬時單位線參數取0.196即可。

田莊支流各單元10a一遇M1及設計雨型時段長匯總見表3。

表3 田莊支流各單元十年一遇M1及設計雨型時段長匯總

5.2 田莊支流的設計雨型表

田莊支流是淄河流域支流，屬太沂山北。因此在進行洪水流量計算時應采用“太沂山北1小時雨型表”(《山東省中小河流治理工程初步設計設計洪水計算指導意見》附表3- 3)。

根據各單元的設計雨型時段長，將各單元所對應的的1h雨型分配，按照文獻[9]表7- 3“逐日凈雨深各時段分配數”比例得出0.2和0.5h的“逐日凈雨深各時段分配數”[10]。

6 用瞬時單位線法分析計算田莊支流各斷面洪峰流量

6.1 降雨徑流關系

各單元凈雨計算采用《山東省中小河流治理工程初步設計設計洪水計算指導意見》中“降雨徑流關系H24面+Pa—R成果表”8號線查得，設計Pa=40mm。降雨徑流關系成果見表4。

表4 田莊水庫降雨徑流關系表

再按各單元的“逐日凈雨深各時段分配數”進行分配，即得田莊支流各單元10a一遇各時段凈雨深。

6.2 基流的確定

依據文獻[9]確定基流：基流的大小可以按照流域面積每100km2，基流為1m3/s計算。

6.3 匯流計算

根據各單元的M1值查文獻[9]所對應的單位線流量，均乘以各單元面積F/10/100，再分別乘以各時段的凈雨深，即得各時段凈雨深所產生的流量過程。

將以上每一個單元各時段所產生的流量，錯開時段，順序疊加，然后再加上基流量，既得各單元10a一遇的洪水流量過程線。如圖2—3所示。

圖2 田莊支流第二單元10a一遇設計洪水過程線

圖3 田莊支流出口斷面10a一遇設計洪水過程線

田莊支流各斷面設計洪峰流量成果見表5。

表5 田莊支流各斷面設計洪峰流量成果

7 結語

通過以上計算，可確定田莊支流張莊鄉后圈村斷面(樁號4+497)10a一遇洪峰流量為195.61m3/s，田莊支流出口斷面(樁號0+000)10a一遇洪峰流量為218.4m3/s，該結果可作為推算防洪規劃中規劃治理河段水面線推算的基礎數據，但在工程設計中應結合實際情況及已用的工程資料進行復核。