例析暴雨設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法比選

例析暴雨設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法比選作者孫海唾王宏壩河是漢江南岸一級(jí)支流，發(fā)源于大巴山北麓陜西省安康市平利縣八道鄉(xiāng)西溝腦。由南向北流經(jīng)安康市平利縣、漢濱區(qū)和旬陽(yáng)縣，在旬陽(yáng)縣和呂河交匯后注入漢江。整個(gè)流域位于北緯32°05'?32°49'、東經(jīng)109°12'?109°45'之間。壩河流域南高北低，上游崇山疊嶺，懸崖陡壁，河谷幽深，林草叢生，人煙較少，森林覆蓋率高，水源涵養(yǎng)條件好，對(duì)徑流具有良好的調(diào)節(jié)作用；中下游河谷開(kāi)闊，山勢(shì)較緩，河段較寬，河床多形成漫灘，人類(lèi)活動(dòng)頻繁。壩河流域內(nèi)林木茂密，植被良好，水土流失輕微，河道除汛期行洪河水渾濁，終年清澈見(jiàn)底。1流域概況1.1水文氣象壩河全流域面積2080km2,主河道長(zhǎng)128km,平均比降3.88%o。壩河流域呈扇形水系，主要支流有秋河、長(zhǎng)安河、汝河、呂河和平定河等。壩河流域內(nèi)植被較好，雨量充沛，多年平均降水量964mm，多年平均徑流量8.43億m?。由于受地貌、降水等條件影響，徑流年內(nèi)分配不均，洪水陡漲陡落。壩河蜿蜒曲折，彎道、峽谷、急灘較多，屬典型的山溪性河流。壩河上游已建成的古仙洞電站樞紐位于壩河上游沖河上，為水庫(kù)式電站，壩址以上流域面積433km2,水庫(kù)總庫(kù)容2835萬(wàn)m3,興利調(diào)節(jié)庫(kù)容2024萬(wàn)m3,死庫(kù)容756萬(wàn)m3,屬年調(diào)節(jié)水庫(kù)。壩河流域位于北亞熱帶邊緣濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),由于本流域地形高低懸殊,地貌差異較大,同時(shí)兼有暖溫帶和中溫帶山地氣候特征。冬季受蒙古冷高壓控制,寒冷少雨；夏季受西伸太平洋副熱帶高壓和河西走廊、四川盆地?zé)岬蛪嚎刂?炎熱多雷暴雨并伴有伏旱；春暖干燥,秋涼濕潤(rùn)并多連陰雨?？偟恼f(shuō)來(lái),氣候溫和,四季分明,雨量充沛,無(wú)霜期長(zhǎng),熱量充足,光照稍差。根據(jù)流域內(nèi)平利氣象站實(shí)測(cè)資料可反映區(qū)域氣象特性。根據(jù)平利氣象站觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì),流域內(nèi)多年平均氣溫13.9℃,最高月平均氣溫25.4℃（7月）,最低月平均氣溫2.1℃（1月）,極端最高氣溫40.2℃（1966年7月20日）,極端最低氣溫-11.2℃（1977年1月30日）最大?土深度8.5cm,多年平均降水量964mm,年最大降水量1389.6mm,年最小降水量660.2mm；初霜期始于11月中旬，終霜期止于3月中旬，全年無(wú)霜期252天左右；多東南風(fēng)，多年平均風(fēng)速3.0m/s,定時(shí)最大風(fēng)速22.0m/s,洪水期多年平均最大風(fēng)速14m/s（7?9月），以東南風(fēng)居多。1.2暴雨洪水特性壩河流域洪水由暴雨形成。根據(jù)多年實(shí)測(cè)資料表明，每年4?10月（汛期）都有可能出現(xiàn)年最大洪水，其中4?5月出現(xiàn)年最大洪水的頻次相對(duì)較少，量級(jí)稍低；6?8月西太平洋副熱帶高壓西伸北躍速度較快，與西北的冷空氣交綏，形成本流域強(qiáng)度較大的降雨過(guò)程，基本特點(diǎn)是多陣性暴雨，籠罩面積較小，強(qiáng)度較大，持續(xù)時(shí)間較短，形成的洪水峰高時(shí)短，陡漲陡落；9?10月，隨著西北冷空氣的加劇，副高壓開(kāi)始緩慢南撤東移，常在本流域上空產(chǎn)生冷暖空氣交綏，出現(xiàn)連陰雨過(guò)程，其間常伴有暴雨出現(xiàn)，基本特點(diǎn)是籠罩面積較大，強(qiáng)度較小，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，造成的洪水峰型較肥，過(guò)程平緩，歷時(shí)較長(zhǎng)，一次較大洪水過(guò)程歷時(shí)約3?5天。壩河流域山高坡陡，河道比降大，雨量集中，匯流時(shí)間短，河槽調(diào)蓄作用較小，洪水過(guò)程具有陡漲陡落、時(shí)短峰高的特點(diǎn)。2石牛河水源工程概況石牛河水源位于陜西省安康市平利縣城上游壩河左岸（南岸）石牛河河道上，是為滿(mǎn)足平利縣城供水而確定的水利工程。根據(jù)平利縣城區(qū)規(guī)劃水平年水量需求預(yù)測(cè)，到2020年，規(guī)劃區(qū)用水規(guī)模達(dá)到2.6萬(wàn)mS/日，現(xiàn)有供水縣城水廠供水能力僅為1.1萬(wàn)mS/日，缺口達(dá)1.5萬(wàn)mS/日，現(xiàn)有供水工程已不能夠滿(mǎn)足用水需求。通過(guò)對(duì)縣城17km范圍內(nèi)地表水源進(jìn)行詳細(xì)的勘察，結(jié)合平利縣縣城供水總體規(guī)劃布局最終確定了石牛河水源地作為工程所在地。根據(jù)實(shí)地踏勘，結(jié)合石牛河上游水利工程布局，從地理位置講，石牛河位于該縣城所在地壩河流域的上游，地勢(shì)較高。從1：5萬(wàn)地形圖分析，所選水源地地勢(shì)高程均高于縣城城區(qū)最高點(diǎn)高程100m以上，高于擴(kuò)建水廠穩(wěn)壓池高程80m以上，完全滿(mǎn)足重力輸水至平利縣城的地形地勢(shì)要求。3計(jì)算方法石牛河水源工程壩址區(qū)域內(nèi)無(wú)水文測(cè)站和洪水觀測(cè)資料，按無(wú)資料地區(qū)考慮。故按照“多種方法，綜合分析，合理選定”原則推算工程設(shè)計(jì)洪水。對(duì)暴雨洪水復(fù)核采用洪峰面積相關(guān)法、綜合參數(shù)法、推理公式法三種方法推算壩址處設(shè)計(jì)洪水。洪峰面積相關(guān)法洪峰面積相關(guān)法是目前采用的洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式中最簡(jiǎn)單的一種形式和方法，對(duì)于計(jì)算缺乏水文資料地區(qū)的水利水電工程，有著重要意義，公式如下：式中：qn—重現(xiàn)期為n的設(shè)計(jì)洪峰流量（m3/s）；F—工程設(shè)計(jì)流域面積（km?）,F=43.7km2；KN、n—重現(xiàn)期為n的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式參指數(shù)，n=0.614。工程區(qū)不同頻率洪峰流量計(jì)算成果見(jiàn)表1。式中；（X一重現(xiàn)期為N的設(shè)計(jì)洪峰流量（mVs）；F一工程設(shè)計(jì)流域面枳LkmE,F=43.7kin2；Kn、n一重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式參指數(shù),n?。向4。工程區(qū)不同地率洪峰流量計(jì)算成果見(jiàn)表I.表1項(xiàng)目區(qū)壩址處設(shè)計(jì)洪峰流星計(jì)算成果表 單位：m酷屏生（t）0.20.330.5LZ3.33S及131.529.L27212]JS.3.Lfl.5n港勵(lì)凰址330.3御9274.5244,0213.51^6.1血出132.32綜合參數(shù)U按照出陜西省安康地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》提供的以流域內(nèi)設(shè)計(jì)暴雨后和流域特征參數(shù)為基礎(chǔ)建立的窸因素經(jīng)驗(yàn)公式，推算工程設(shè)計(jì)洪水,計(jì)算公式如下：億=珞小用"式機(jī)Qp—設(shè)計(jì)頻率為P的洪峰流量EQ；F一工程設(shè)計(jì)飾域面?。╧m2）：〕一河道平均比降（千分率的分子值）:H6p—設(shè)計(jì)頻率為P的六小時(shí)點(diǎn)暴雨量（mm）；K琬一設(shè)計(jì)頻率為P的六小時(shí)暴雨模比系數(shù)泉n、門(mén)，6、丫一分區(qū)綜合的經(jīng)驗(yàn)性指部本區(qū)為黃澳區(qū)，查《手冊(cè)＞可知:n-0.65,口=0一625. ￥f.11.用舞合參數(shù)法訶算的「程區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)我2.表2綜含參數(shù)法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪峰流量成果表 單位：m米施率（V）0.20.船H512S..335idIGpI招&1E32.&9a.犯&IE1.97LGGH即l：JB>］削.他17L72l?3.OD115.2612E.52]L6.101DGl3810泄流期埋川：372.7mo322.fi28Gl22M.12虱G姬.1國(guó)工3綜合參數(shù)法按照《陜西省安康地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》提供的以流域內(nèi)設(shè)計(jì)暴雨量和流域特征參數(shù)為基礎(chǔ)建立的多因素經(jīng)驗(yàn)公式，推算工程設(shè)計(jì)洪水，計(jì)算公式如下：式中：Qp—設(shè)計(jì)頻率為P的洪峰流量（m3/s）；F—工程設(shè)計(jì)流域面積（km?）；J—河道平均比降（千分率的分子值）；H6p—設(shè)計(jì)頻率為P的六小時(shí)點(diǎn)暴雨量（mm）；K6p—設(shè)計(jì)頻率為P的六小時(shí)暴雨模比系數(shù)；n、a、b、y—分區(qū)綜合的經(jīng)驗(yàn)性指數(shù);本區(qū)為黃壩區(qū)，查《手冊(cè)》可知:n=0.65,a=0.625,B=0.45,丫=?！?,用綜合參數(shù)法計(jì)算的工程區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表2。用暴雨資料推理公式法設(shè)計(jì)暴雨1）設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨量的計(jì)算壩址以上流域面積43.7km2,根據(jù)《陜西省安康地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》可知，當(dāng)流域面積介于20?50km2時(shí)，暴雨設(shè)計(jì)歷時(shí)取6小時(shí)，暴雨計(jì)算時(shí)段取1/3小時(shí)。從《手冊(cè)》查得1、6小時(shí)點(diǎn)雨量及變差系數(shù)統(tǒng)計(jì)值，再通過(guò)下式計(jì)算不同頻率各歷時(shí)點(diǎn)暴雨量。其中：3小時(shí)點(diǎn)暴雨量計(jì)算公式為：；2）設(shè)計(jì)面暴雨量的計(jì)算采用點(diǎn)面系數(shù)法計(jì)算面暴雨量。計(jì)算公式如下：式中：一設(shè)計(jì)歷時(shí)為t的流域面平均暴雨量（mm）；設(shè)計(jì)歷時(shí)為t的點(diǎn)暴雨量（mm）；設(shè)計(jì)歷時(shí)為t的暴雨點(diǎn)面系數(shù)；設(shè)計(jì)流域面積（km2）；線性擬合參數(shù)與指數(shù)。3）設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)程分配本流域^計(jì)暴雨的計(jì)算時(shí)段取1/3小時(shí)，根據(jù)《安康地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》提供的6小時(shí)暴雨概化雨型進(jìn)行不同頻率的暴雨時(shí)程分配，各時(shí)段面雨量見(jiàn)表3。產(chǎn)流計(jì)算1）設(shè)計(jì)前期影響雨量本流域?qū)佼a(chǎn)流V區(qū)，流域最大損失量Im值，查《手冊(cè)》為Im=80mm,前期影響雨量Pa按表4取值。2）凈雨量計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)前期影響雨量和設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)程分配疊加，然后扣損得設(shè)計(jì)凈雨，經(jīng)查《陜西省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》中陜南的降雨徑流關(guān)系曲線，計(jì)算其產(chǎn)流過(guò)程，在產(chǎn)流過(guò)程中扣除該區(qū)的占產(chǎn)流量20%的潛流量，得出地面凈雨過(guò)程，從而得出不同頻率凈雨深及相應(yīng)洪水總量。匯流計(jì)算匯流計(jì)算采用“推理公式法”，推理公式的基本形式如下：全面匯流（tc>T）：Qm=0.278FhT/T部分匯流（tc<T］：Qm=0.278Ftch/tc式中：Qm—洪峰流量（m?/s）；h、hT—單一洪峰的凈雨量和相應(yīng)于t時(shí)段的最大凈雨量（mm）；F、Ftc—流域面積和相應(yīng)于tc時(shí)段的流域面積（km?）；tc、t—流域產(chǎn)流歷時(shí)和流域匯流歷時(shí)（小時(shí)）；流域匯流歷時(shí)：式中：L—沿河道從出口斷面至分水嶺的最大距離（km）；J—河道平均比降；a、B—經(jīng)驗(yàn)性指數(shù)，取a=1/3,3=1/4；m—經(jīng)驗(yàn)性匯流參數(shù)，根據(jù)《安康地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》表6-11計(jì)算。e=L/（J1/3F1/4），m=0.67960.1018根據(jù)產(chǎn)流計(jì)算累積的凈雨量成果計(jì)算相應(yīng)的洪峰流量Qt：Qt=0.278F￡ht/t根據(jù)流域匯流歷時(shí)公式和洪峰流量公式，分別作出Qt?t關(guān)系曲線和Qt?t關(guān)系曲線，兩曲線的交點(diǎn)即為所求的洪峰流量和匯流歷時(shí)，壩址20年一遇、50年一遇洪峰洪峰流量圖解成果見(jiàn)圖1和圖2。圖120年一遇洪水圖解試算曲線圖250年一遇洪水圖解試算曲線4計(jì)算成果的選用及合理性分析將上述洪峰面積相關(guān)法、地區(qū)綜合參數(shù)法和推理公式法計(jì)算的壩址處各頻率洪峰流量成果對(duì)比?！蛾兾魇“部档貐^(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中的三種方法是根據(jù)多年觀測(cè)資料推算而來(lái)，基本能夠反映安康地區(qū)的洪水變化規(guī)律。采用洪峰面積相關(guān)法時(shí)，由于最大洪峰跟所處流域的降雨、以及控制流域下墊面的產(chǎn)匯流特性等有著密切關(guān)系，而該公式相關(guān)參數(shù)較為單一，故計(jì)算所得結(jié)果較小，使得洪峰面積相關(guān)法缺乏可靠性；而綜合參數(shù)法又具有一定的區(qū)域概括性，缺乏針對(duì)性。對(duì)于特小流域暴雨洪水，無(wú)論是暴雨的時(shí)空分布或流域匯流特性，推理公式更能適應(yīng)其概化條件。因此結(jié)合原設(shè)計(jì)和歷史洪水綜合分析，采