柳河李營水文站“21·7”洪水分析

張伍民

（河北省承德水文勘測研究中心，河北 承德 067000）

灤河流域“21·7”洪水前期6月24日—7月8日連續降大到暴雨，柳河李營水文站持續漲水，于7月4、6、9日分別出現洪峰，洪峰流量分別為20.2、32.2、36.7 m3/s，漲水持續時間長，基流較大。7月12—13日，灤河流域普降大暴雨，最大1 h降雨量為清灰嶺的46.2 mm，最大24 h降雨量為王坪石的233.6 mm，暴雨中心在王坪石、九撥子一帶。灤河流域發生“21·7”洪水，李營水文站最大洪峰流量為1 360 m3/s。

1 概況

柳河發源在霧靈山腳下，屬深山區，一般山峰高度在1 000～1 500 m，高出河谷500～1 000 m左右，最高峰是霧靈山，海拔高度2 118 m。柳河流入下游潘家口水庫。柳河流域為太古代華北地區燕山沉降帶的一部分，主要巖石為黑云紫蘇斜長片麻巖、泥質白云巖，并有北東向構造體系破裂帶。全流域土壤山地為棕色森林土，耕地多為沙壤土。流域內植被覆蓋率較高約60%，水土流失不嚴重。

李營水文站位于柳河中游，是國家基本站，集水面積626 km2，屬于深山區代表站。水文站斷面以上共有3條較大支流，除主流外，另有北水泉和上窩鋪西大川，河網密度約0.18 km/km2，流域形狀系數為0.155。主河道長63.5 km，河道縱坡7.6‰，流域平均寬度9.9 km。水文站斷面以上流域共有14處雨量站，站網密度為44.7 km2/站。流域多年平均降雨量為715.6 mm，主要分布在6—9月，占全年的80%以上。上游有興隆水文站，集水面積96 km2，站網密度為313 km2/站。

由于上游未建大型水利工程，所以李營水文站斷面以上河道基本為天然河道。

2 資料選用及計算

2.1 資料選用

本研究選用7月12日0時—18日8時的洪水過程，時段降雨量選用流域內代表性較高的單站降雨資料且與所選洪水過程對應，降雨量選用7月12日0時—13日15時的降雨量，前期降雨量選用6月24日—7月8日的累計降雨量。柳河“21·7”洪水相關降水量統計，詳見表1。

表1 柳河“21·7”洪水相關降水量統計

2.2 次洪水降雨量計算

計算過程中，蒸發量忽略不計。

次洪水降雨計算如下：選擇降雨時段為1 h，采用算術平均法計算流域逐時段面平均降雨量，得到本次洪水的面平均降雨量為154.4 mm。

2.3 次洪水產流量計算

次洪水整個過程施測如下：起漲流量施測號數45次，流量13.6 m3/s；洪峰流量施測號數47次，流量1 360 m3/s；落平流量施測號數56次，流量38.4 m3/s。共施測12次，測得完整洪水變化過程。

本次分析采用目估法確定退水分割點，根據起漲點、退水拐點及洪水過程線所包圍的面積計算次洪水徑流深。洪水總量計算公式為：

式中：Wp為洪水總量（m3）；Qi為瞬時流量（m3/s）；Δti為時段（s）。

經分析，確定柳河“21·7”洪水水位流量切線節點為（71 208∶13.6；71 608∶50.2）。切割后，該次洪水浄峰流量為1 340 m3/s。

柳河“21·7”洪水水位流量綜合過程線及切線，如圖1所示。

圖1 柳河“7·13”洪水水位流量綜合過程線及切線

選定時段各項水文特征值分別如下：切割前，次洪水總量6 283萬m3，平均流量116 m3/s，徑流模數18.5萬m3/（s·km2），徑流深度100.4 mm，降雨徑流系數0.44；切割后，次洪水總量4 451萬m3，平均流量128 m3/s，徑流模數20.4萬m3/（s·km2），地表徑流深度71.1 mm，降雨徑流系數0.31，地下徑流深度29.3 mm。

2.4 流域面平均日降水量和前期影響雨量計算

2.4.1 流域面平均日降水量計算

流域面平均日降水量計算公式為：

式中：k為折減系數，一般取0.80～0.95，本研究取0.9；Pt為流域面平均日降水量（mm）；Pa.t為初始影響雨量（mm）。

采用式（2）計算流域面平均日降水量，并以Im控制。Im為流域前期影響雨量最大損失量，一般取80～120 mm，本研究取80 mm。

2.4.2 流域前期影響雨量計算

Pa.t+1計算始于產生次洪水降雨的前一時段，若流域前期干旱，初始影響雨量取Im/2值。經計算，次洪水前期影響雨量為251.9 mm。

2.5 產匯流計算

2.5.1 產流歷時計算

采用圖解法計算產流歷時tc，如圖2所示。

圖2 產流歷時tc圖解法

先找出洪水起漲點對應的降雨時間，以此作為凈雨開始時間，計算累計凈雨，點繪時段累計凈雨Pt-t圖，如圖2所示。在Pt軸上截取OA=Rs，過點A作曲線Pt-t的切線AB，切點C的橫坐標tc即為產流歷時，縱坐標Ptc則為產流歷時內對應的降雨量。

2.5.2 穩定下滲率計算

采用前推法計算穩定下滲率fc，如圖3所示。

圖3 前推法計算穩定下滲率

如圖3所示，繪制峰型對應的時段降雨與洪水過程線圖P-t、Q-t，從降雨時段末起往前推計算累計降雨量（凈雨），使其等于總產流量，即P計=Rs+Rg，圖中C、D段之間的累計降雨所對應的時段為產流歷時。采用穩定下滲率切割C、D之間的降雨柱狀圖，則陰影部分為下滲量。穩定下滲率計算公式為：

式中：fc為穩定下滲率（mm/s）；P計為計算凈雨量（mm）；Rs為地表徑流深（mm）；tc為產流歷時（s）。

根據穩定下滲率在降雨柱狀圖上的切割位置，如果穩定下滲率值均小于時段降雨量，那么直接采用式（3）計算；如果穩定下滲率值大部分小于時段降雨量、個別時段大于時段降雨量，那么說明這幾個時段不產流，計算時應從計算凈雨量中減去不產流的時段降雨量，從產流歷時中減去不產流的時段降雨量所對應的時間，再采用式（3）計算即可。

2.5.3 匯流類型判定

采用推理公式法推求匯流參數m，即：

式中：τ為匯流歷時（h）；L為主河長（km）；J為流域坡度（%）；Qm為凈峰流量（m3/s）。

判定匯流類型方式如下：當Rs/tc＞Qm/0.278/F，流域為部分匯流；當Rs/tc≤Qm/0.278/F，流域為全面匯流。其中，F為集水面積（km2）。

首先計算τ值，然后計算m值。當部分匯流時，直接采用τ=0.278Rs·F/Qm計算τ值，然后通過式（3）求得m值；當全面匯流時，τ=0.278Rst·F/Qm，因Rst未知，需試算或圖解求τ值，然后通過式（4）求得m值。

采用圖解法推求匯流歷時τ，如圖4所示。

圖4 匯流歷時圖解法

根據求出的穩定下滲率切割降雨柱狀圖，計算不同歷時的凈雨Rst，從最大凈雨往兩邊累加，先找出一個時段t1的最大Rst1，求出Rst1/t1，然后找出第二個時段t2的最大Rst2，求出Rst2/t2，依此類推。在此基礎上，點繪Rst/t-t的關系線，在縱軸上截取OB=Qm/0.278/F，過B點作橫軸的平行線BA與曲線Rst/t-t相交于點A，點A的橫坐標即為所求的τ值。

經過分析計算，次洪水匯流歷時tc為11.0 h，穩定下滲率fc為4.9 mm/h，Rs/tc為6.5，Qm/0.278/F為7.7，匯 流 歷 時 為4.0 h，m為0.4。由 于Rs/tc＜Qm/0.278/F，所以判定本次洪水為全面匯流。

3 結語

“21·7”洪水產流和匯流時間均比較短，洪水陡長陡落，符合典型的山區河流洪水特性。本次洪水過程線線型近似于標準山區洪水特征過程線，尤其是退水線部分可作為李營水文站退水曲線計算的重要參考。