鎮(zhèn)安縣達仁河流域洪水計算分析

王 蕊，李軼亮

（1.陜西省涇惠水利水電設(shè)計院,陜西 三原 713800；2.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院,陜西 西安 710001）

0 概述

達仁河流域災(zāi)害性暴雨洪水高發(fā)期在7 月～9 月,洪水多由暴雨形成,特別是夏季大洪水陡漲陡落,歷時較短,洪水一般為幾個小時,高強度暴雨又多發(fā)生在夜間,洪水過程呈明顯的尖瘦型。洪水常造成沿河兩岸的農(nóng)田被淹,嚴重時破壞房屋、建筑、水利工程設(shè)施、交通設(shè)施、電力設(shè)施等,并造成不同程度的人員傷亡,嚴重影響國民經(jīng)濟發(fā)展。在暴雨中心區(qū)域,山洪是暴雨洪水致災(zāi)的主要因素,也是災(zāi)害預(yù)防的主要對象,要想開展達仁河的洪水災(zāi)害防治工作,就必須對其流域的洪水進行分析計算,本文采用四種不同的洪水計算方法,分別計算達仁河不同典型頻率（P=20%、P=10%、P=5%、P=2%、P=1%）下的設(shè)計暴雨洪水,分析計算結(jié)果,為分析達仁河各頻率洪水淹沒情況提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 流域概況

達仁河是旬河的一級支流,發(fā)源于達仁鎮(zhèn)羅漆匠巖,由西北流向東南,在鎮(zhèn)安縣駱駝壩流出鎮(zhèn)安縣境,在仁河口鎮(zhèn)匯入旬河。達仁河流域面積391 km2,河長60.024 km,河流平均比降11.49‰。流經(jīng)木王鎮(zhèn)、達仁鎮(zhèn)兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn),過木王鎮(zhèn)集鎮(zhèn)段長1.458 km,農(nóng)村段46.531 km,山區(qū)段12.035 km,流域內(nèi)無大中型水利工程項目。

2 洪水計算

本次設(shè)計洪水計算采用水文比擬法、匯水面積相關(guān)法、綜合參數(shù)法、推理公式法等方法,根據(jù)推算結(jié)果分析比較確定各段河流洪峰流量,按照區(qū)間流域面積進行分段計算,將達仁河分為4 段,起調(diào)斷面處的樁號分別為15+360,34+200,51+000,60+024,起調(diào)斷面以上控制的流域面積見表1。

表1 流域面積控制表單位：km2

2.1 水文比擬法

達仁河流域內(nèi)無水文測站,屬于無資料地區(qū),鄰近乾佑河設(shè)有青泥灣、柞水水文站,旬河設(shè)有柴坪水文站,流域面積均比達仁河大,其中乾佑河柞水水文站與達仁河流域面積較接近、河流特性相似且下墊面情況相似,因此采用臨近柞水水文站做為水文比擬法計算選用的參證站。

（1）柞水水文站洪水頻率計算

柞水水文站是乾佑河上游干流控制站,該站控制流域面積457 km2,有1981 年～2016 年共36 年實測年最大洪峰流量資料。青泥灣水文站是乾佑河干流控制站,該站控制流域面積1377 km2,有1959 年～2015 年共57 年實測年最大洪峰流量資料。兩測站是上下游關(guān)系。利用柞水站和青泥灣站同場次洪水的洪峰流量進行相關(guān)分析,延長柞水水文站1959 年～1980 年洪水系列,求得相關(guān)系數(shù)0.8,相關(guān)關(guān)系圖1,相關(guān)方程為：

圖1 柞水水文站及青泥灣水文站同場洪峰流量相關(guān)關(guān)系圖

用青泥灣站1959 年～1980 年實測年最大洪峰流量Qm青泥灣, 按上式將柞水站洪水系列延長至1959 年,形成柞水站1959 年～2016 年58 年年最大洪峰流量資料系列,同時對青泥灣1902 年3100 m3/s、1926 年2110 m3/s、1957 年1720 m3/s年3 場歷史洪水亦按上式計算至柞水站,計算得柞水站1902 年1271 m3/s、1926 年874 m3/s、1957 年717 m3/s,并參與柞水站洪水頻率計算。

根據(jù)插補延長后柞水站1959 年～2016 年58 年系列,加入1902 年、1926 年、1957 年三場大洪水,對1902 年洪水重現(xiàn)期按115 年處理,采用矩法計算統(tǒng)計參數(shù),按P-Ⅲ型曲線適線,可得柞水水文站設(shè)計洪水計算成果,見表2。

表2 參評站洪峰流量計算成果表單位：m3/s

“關(guān)于商洛市乾佑河防洪工程規(guī)劃的批復(fù)（商政水發(fā)【2009】249 號）”和“關(guān)于柞水縣乾佑河下梁鎮(zhèn)、石甕鎮(zhèn)段防洪工程初步設(shè)計批復(fù)（商政水發(fā)【2014】96 號）”中柞水水文站實測資料洪峰流量成果見表2。

從表2 可以看出,柞水水文站實測資料計算結(jié)果與批復(fù)成果有一定差異,因考慮到商洛市乾佑河防洪工程規(guī)劃報告、柞水縣乾佑河下梁鎮(zhèn)、石甕鎮(zhèn)段防洪工程初步設(shè)計中成果經(jīng)省市批復(fù)認可,且兩時段內(nèi)計算成果相差不大,故本次柞水水文站設(shè)計洪峰流量成果采用批復(fù)成果。

（2）設(shè)計洪水計算

以柞水水文站為參證站,采用水文比擬法分別計算各段的設(shè)計洪峰流量,計算公式如下：

式中：Q設(shè)、Q參分別為設(shè)計流域和參證站洪峰流量；F設(shè)、F參分別為設(shè)計斷面和參證站集水面積。

達仁河不同頻率設(shè)計洪水成果見表9。

2.2 匯水面積相關(guān)法

依據(jù)《商洛地區(qū)實用水文手冊》中介紹的洪峰流量匯水面積相關(guān)法,計算達仁河各設(shè)計斷面處的設(shè)計洪峰流量。計算公式如下：

式中：QN為重現(xiàn)期為N的洪峰流量,m3/s；KN、n分別為重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗公式參數(shù)、指數(shù)；F為匯水面積。

根據(jù)《商洛地區(qū)實用水文手冊》中的洪峰面積相關(guān)公式參數(shù)表,查算經(jīng)驗公式的參、指數(shù)。經(jīng)計算各河段處不同頻率設(shè)計洪水成果見表9。

2.3 綜合參數(shù)法

依據(jù)《商洛地區(qū)實用水文手冊》中以流域內(nèi)設(shè)計暴雨量和流域特征參數(shù)為基礎(chǔ)建立的多因子綜合參數(shù)經(jīng)驗公式,計算各工程處的設(shè)計洪峰流量。計算公式如下：

式中：QP為設(shè)計頻率為P的洪峰流量,m3/s；F為設(shè)計流域面積,km2；J為主河道平均比降；Hp為設(shè)計頻率為P的6 h暴雨量,mm；KP為經(jīng)驗參數(shù)；n、a、β為經(jīng)驗指數(shù)。

由暴雨洪水圖集上查得6 小時暴雨均值為55 mm,CV值為0.6；查《商洛地區(qū)實用水文手冊》中的分區(qū)參、指數(shù)表,代入公式計算,求得各河段的設(shè)計洪水成果見表9。

2.4 推理公式法

根據(jù)《商洛地區(qū)水文手冊》中推理公式法,采用流域?qū)崪y暴雨洪水資料分析總結(jié)的產(chǎn)、匯流規(guī)律、確定計算參數(shù),進行產(chǎn)流、匯流計算,推求各河段設(shè)計洪峰流量。以達仁河樁號60+024 處的起調(diào)斷面計算為例,達仁河其他起調(diào)斷面計算方法相同。

（1）設(shè)計暴雨推求

根據(jù)《商洛地區(qū)水文手冊》中年最大1、3、6、12 小時點雨量均值及變差系數(shù)等值線圖查得設(shè)計流域各歷時點雨量的均值及變差系數(shù)CV值,取Cs=3.5CV,可計算得到相應(yīng)歷時某一設(shè)計頻率的點雨量。見表3。

表3 不同頻率下設(shè)計點暴雨計算表單位：mm

根據(jù)《商洛市水文實用手冊》表5-2 查得各歷時相關(guān)參數(shù)并計算設(shè)計面暴雨量,公式為：

式中：Ht面為設(shè)計歷時為t的設(shè)計面雨量,mm；Ht為設(shè)計歷時為t的點暴雨量,mm；αt為歷時為t的暴雨點面系數(shù),mm；F為設(shè)計流域面積,km2；at、bt為線型擬合參數(shù)和指數(shù)。

計算成果見表4。

表4 樁號60+024 斷面設(shè)計面暴雨量計算成果表單位：mm

（2）產(chǎn)流過程

根據(jù)《商洛地區(qū)實用水文手冊》,采用12 小時設(shè)計暴雨時程分配,見表5。商洛地區(qū)的產(chǎn)流方式為蓄滿產(chǎn)流,確定流域最大土壤蓄水量Im=80 mm,前期影響雨量Pa=53.3 mm。

表5 樁號60+024 斷面不同頻率12 小時設(shè)計暴雨量時程分配計算表

（3）凈雨過程計算

根據(jù)《商洛地區(qū)實用水文手冊》,該區(qū)的潛流百分數(shù)采用20%。從時段產(chǎn)流過程中減去平均潛流量即得凈雨過程,達仁河樁號60+024 斷面P=20%頻率下的凈雨過程計算見表6,其他典型頻率下的凈雨過程計算此處不再詳列。

表6 樁號60+024 斷面P=20%凈雨過程計算表

（4）設(shè)計洪峰流量查算

①確定流域特征參數(shù)θ,采用《商洛地區(qū)實用水文手冊》

②確定匯流參數(shù)m,采用《商洛地區(qū)實用水文手冊》中的經(jīng)驗公式m=0.190θ0.575計算,得出匯流參數(shù)m。

③根據(jù)凈雨計算成果表, 自最大凈雨強度開始向前后相鄰時段連續(xù)累加, 并除以相應(yīng)的時距, 得出時段平均最大凈雨強度ht/t, 求得與t相應(yīng)的洪峰流量Qt, 其計算公式計算成果見表7。

表7 樁號60+024 斷面t～Qt 曲線計算表

④根據(jù)流域面積大小,假定幾個洪峰流量,計算出各假設(shè)洪峰流量所對應(yīng)的匯流歷時τ,即：計算成果見表8。

表8 樁號60+024 斷面Qτ-τ 曲線計算表

⑤根據(jù)計算Qm和τ,圖解法點繪t～Qt和Qτ～τ兩組相關(guān)曲線,將上述兩條曲線點繪于同一張圖上,曲線交點的縱坐標即為洪峰流量,橫坐標為匯流歷時。見圖2。

圖2 樁號60+024 斷面不同頻率t～Qt 與Qτ～τ 曲線圖

⑥根據(jù)t～Qt和Qτ～τ曲線,其兩條曲線的交點對應(yīng)的縱橫坐標,即為所求的設(shè)計洪峰流量Qm和匯流歷時τ。可得不同頻率洪峰流量,其他斷面也采用上述方法進行計算,計算成果見表9。

表9 各種計算方法設(shè)計洪水計算成果表單位：m3/s

2.5 洪水計算成果

由四種不同方法計算達仁河不同頻率設(shè)計洪水成果見表9。

3 結(jié)論

本次計算設(shè)計洪水在無實測資料的情況下,先后采用四種不同方法計算出設(shè)計洪水,從表9 計算洪峰流量對比分析,計算成果有一定的差異。水文比擬法一般用于實測資料缺乏的地區(qū),計算結(jié)果精度相對較低,計算結(jié)果僅供參考；匯水面積相關(guān)法和綜合參數(shù)法洪水計算結(jié)合了河道特征值,但僅考慮了洪水的主要成因；推理公式法設(shè)計洪水使用《商洛地區(qū)實用水文手冊》中總結(jié)地區(qū)實測暴雨洪水資料分析出來的暴雨～洪水關(guān)系進行計算,有一套完整的計算方法,在理論方面較為嚴謹,過程中又采用了本流域的特征值、經(jīng)驗參數(shù)和暴雨資料,計算成果既代表了區(qū)域洪水的共性,又突出了計算流域洪水的特性,成果精度相對較高。因此,經(jīng)綜合分析后確定采用推理公式法的計算結(jié)果,可為達仁河的洪水災(zāi)害防治工作開展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。