歷史洪水調查法在設計洪峰流量計算中的應用分析

高海海

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065）

1 工程概況

金陵河屬渭河北岸一級支流,發源于隴縣八渡鎮趙家山以南,流經陳倉區新街、縣功和金臺區金河等鄉鎮,由北向南穿越寶雞市區匯入渭河。河道長55.0 km,流域面積427.1 km2,河道平均比降7.4‰。流域上游寬闊,下游較窄,呈現以縣功鎮為頸的“掃帚”狀特點。流域內主要支流有：司川河、窯溝、龍渠溝。金陵河以陳倉區縣功鎮為界,縣功鎮以上為上游段,縣功鎮以下為中、下游段,干流單一。縣功鎮以上流域面積332.3 km2,占總流域面積的77.8%,縣功鎮以下流域面積94.9 km2,占總流域面積的22.2%[1]。工程治理河段從上游依次為玉池村段、金河鎮段、八里村段以及金陵四橋段。其中,玉池村段控制流域面積372 km2,金河鎮段控制流域面積393 km2；八里村段控制流域面積405 km2；金陵四橋段控制流域面積415 km2。

2 洪峰流量計算

由于金陵河流域屬于無水文資料地區,故設計洪水計算主要根據《寶雞市水文實用手冊》（以下簡稱《手冊》）中關于無資料地區或缺乏水文資料的中小流域設計洪水計算方法推求設計洪水,并結合洪水調查綜合分析確定。分別采用水文比擬法、歷史洪水調查法、經驗公式法和推理公式法四種不同方法進行計算。同時,根據《防洪標準》（GB 20501-2014）規定,并參照其他設計文件,玉池村段防洪標準為10年一遇；金河鎮段防洪標準為20 年一遇；八里村段和金陵四橋段防洪標準均為100 年一遇。

2.1 水文比擬法

選用相鄰的自然地理條件屬同一水文氣象分區且流域面積接近,降雨特點與金陵河相似的小水河朱園水文站為參證站,計算公式：

式中：F設為設計各斷面控制流域面積,km2；F參為參證站控制流域面積,km2；Qp參為參證站相應頻率洪水流量,m3/s。

2.2 經驗公式法

根據《手冊》提供的洪峰流量經驗公式：Qp=K·Fn·Jα·H6Pβ,工程屬于渭河以北地區采用公式：

式中：F為各段流域面積,km2；J為各斷面平均比降,‰；H6P為設計6 小時的暴雨量。

2.3 推理公式法

根據暴雨資料推求設計洪水,是缺乏水文資料的中小流域最常用的一種方法。暴雨是形成洪水的主要因素,通過暴雨間接推求設計洪水時,首先假定設計暴雨與設計洪水的頻率是相應的[2]。根據已審定的《手冊》,查暴雨產匯流參數,推算設計洪水,匯流計算采用推理公式法。

2.4 歷史洪水調查法

（1）歷史調查洪水分析

歷史洪水以陜西省水利廳1984 年12 月整編刊印的《陜西省洪水調查資料》及《手冊》等資料為依據。根據工程布置情況、調查洪水斷面控制面積大小及調查洪水的可靠性等,主要選擇金陵河仝家崖和寶十橋兩個斷面的歷史調查洪水進行分析。由于兩個斷面的控制面積及洪水調查年份的不同,為了保證歷史調查洪水資料的一致性及洪水計算分析,將寶十橋斷面調查洪水洪峰流量采用面積比擬法折算至仝家崖斷面,面積指數取0.67。仝家崖斷面歷史洪水計算結果：1937 年洪峰流量為932 m3/s,1947 年洪峰流量為497 m3/s,1989 年洪峰流量為824 m3/s,1996 年洪峰流量為625 m3/s,1988 年洪峰流量為1110 m3/s。

（2）歷史調查洪水重現期確定

根據調查到的歷史洪水資料分析,1901 年金陵河突發洪水為有史以來最大的洪水,從1901 年距今已經116 年了,但其洪峰流量無調查值；而1988 年洪水為1901 年以來有調查值的第一大洪水。經綜合考慮,結合洪水發生的時間、量級及調查資料的可靠性,故確定1988 年、1937 年、1989 年、1996 年、1947 年五次歷史洪水的重現期分別為100 年一遇、50 年一遇、30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇。

（3）歷史調查洪水頻率計算

根據仝家崖斷面調查到的洪水洪峰流量值及各場洪水確定的重現期,計算出各場洪水的經驗頻率,計算結果見表1。依據各場洪水的洪峰流量值及計算的經驗頻率值,利用水文頻率計算軟件適線,其頻率曲線結果見圖1。

圖1 金陵河仝家崖斷面洪峰流量頻率曲線圖

表1 仝家崖斷面歷史洪水經驗頻率成果表

經適線后,金陵河仝家崖斷面洪峰流量頻率曲線參數：均值X=221 m3/s、CV=1.0、CS=3.5CV=3.5。查頻率曲線得金陵河仝家崖斷面不同頻率的設計洪峰流量見表2。

表2 仝家崖斷面不同頻率的設計洪峰流量成果表

根據已知的金陵河仝家崖斷面洪峰流量,按面積比擬法計算工程設計斷面的洪峰流量：

式中：F設為設計各段斷面控制流域面積,km2；F參為參證站控制流域面積,km2；Qp設為設計各段控制斷面相應頻率洪水流量,m3/s；Qp參為參證站相應頻率洪水流量,m3/s。

3 結果選取

通過以上四種方法的分析計算：經驗公式適用于流域面積為10 km2～150 km2,由于工程最小設計流域面積372 km2,故該方法計算結果僅作為參考值；水文比擬法采用朱園水文站為參證站,該站有40 年實測洪峰流量資料,流域面積盡管相近,但流域下墊面因素差異較大,其匯流過程不同,同時流域形狀也相差較大,小水河流域為條狀,而金陵河為扇形,相對而言,沒有金陵河易匯流形成洪水,因而水文比擬法洪水計算結果偏小。推理公式法推求洪水的基本條件是設計暴雨與設計洪水同頻率,洪峰流量除了決定于降雨量、降雨強度和降雨過程的時空分布等因素外,還受匯流條件、土壤的入滲等因素制約。根據金陵河的歷史洪水資料情況,省市各級部門曾多次對金陵河洪水資料,進行調查、統計和分析,調查資料比較可靠,故可以通過對歷史洪水的分析計算,進而推求設計流域的洪峰流量。考慮到金陵河特大洪水多來自上游,同時考慮到工程運行過程中的安全性,故工程玉池村段和金河鎮段洪水采用推理公式法成果,八里村段和金陵四橋段100 年一遇洪水采用歷史調查洪水的洪水計算成果。四種方法計算的設計洪峰流量成果結果見表3。

表3 不同方法計算各斷面設計洪峰流量成果表

同時,為了論證本次洪水選取結果的合理性,先后收集到金陵河流域項目區附近已經批復的洪水計算成果進行對比分析,具體分析過程如下：

1）玉池村段、金河鎮段。根據批復的《關于寶雞市金陵河新街鎮段防洪工程初步設計的批復》文件：金臺區（寺溝村和葛河村）段10 年一遇洪水洪峰流量為581 m3/s,其控制流域面積為406.2 km2；縣功鎮葫蘆溝村段20 年一遇洪水洪峰流量為777 m3/s,其控制流域面積為361.1 km2。利用面積比擬法換算至玉池村段、金河鎮段設計斷面,經計算分析兩者計算成果相差分別為0.53%和2.64%,故認為玉池村段、金河鎮段洪峰流量計算值是合理的。

2）八里村段。根據批復的《關于金陵河八里村～秦家河大橋段堤防工程初步設計的批復》文件：該段河道100 年一遇設計洪峰流量為1200 m3/s,而八里村段工程末端位于秦家河大橋以上1 km 處且中間無較大支流匯入,兩者計算結果僅相差3.99%,故認為本次八里村段百年一遇洪峰流量計算成果是合理的。

3）金陵四橋段。根據批復的《關于金陵河秦家河大橋至十八孔橋段防洪工程初步設計的批復》文件：該段河道100 年一遇洪峰流量為1290 m3/s,其控制流域面積為427.1 km2；利用面積比擬法換算至金陵四橋設計斷面,得工程段100 年一遇設計洪峰流量為1266 m3/s。同時,本次金陵四橋段控制流域面積為415 km2,100 年一遇洪峰流量為1173 m3/s。兩者計算成果相差僅為7.89%,故認為本次金陵四橋段100 年一遇洪峰流量計算值是合理的。

4 結語

中小流域大多都缺乏實測水文資料,因此推求中小流域設計洪峰流量一直是設計中小流域水利工程中的一個難點[3]。在無實測徑流資料或實測徑流資料很少時,對于流域洪峰流量的計算主要通過水文比擬法、歷史洪水調查法、經驗公式法和推理公式法,本工程同時采用四種方法進行洪峰流量計算。

通過金陵河流域設計洪峰流量計算,反映出對于陜西省部分無資料地區,中小流域洪峰流量計算時,歷史洪水對洪峰流量計算成果的影響較大,應該引起足夠的重視,特別是在保護對象比較重要、防洪標準比較高時必須進行歷史特大洪水的調查考證；同時,應該重點放在對多種計算結果的合理分析與選取以及計算結果需要結合當地流域的實際情況進行可靠性的驗證,經過一系列的可靠性及可行性分析,才能給出一個合理的計算結果。因此,在今后中小流域設計洪峰流量的計算過程中應該注意以下幾個方面把握：

（1）歷史洪水對洪峰流量計算成果的影響較大,應該引起足夠的重視,特別是在保護對象比較重要、防洪標準比較高時必須進行歷史特大洪水的調查考證。

（2）利用歷史洪水調查法計算洪峰流量時,需重點把握洪水調查成果的可靠性、調查洪水重現期的確定。

（3）在同一個項目的水文計算中,不一定完全以一種計算方法的成果為準,可根據實際情況分別選取。

（4）在同一個流域的水文計算過程中,應注意上下兩段洪水計算成果的協調性、合理性；同時注意與本流域已批復水文計算成果的協調一致性。