河道防洪治理工程设计断面水文分析

时间：2024-07-29

张红

(西宁市湟中区水利水电规划设计研究所，青海湟中 811600)

1 流域概况

本文就青海省湟中县田家寨镇尕院沟防洪治理工程进行河道设计断面水文分析。

尕院沟发源于湟中县南部的拉脊山脉“水牙子峡”，河源海拔3500m，尕院沟总长5.6km，河道平均比降80‰，尕院沟末端汇入傻尔加河，本次治理断面以上流域面积为15.5km2，属山溪性河流，常年流水。流域内土质较好，山坡稳定，植被覆盖良好，雨水充足，泥沙含量较少，水流清澈。流域水系图见下图。

2 气象

项目区属内陆高原大陆性气候，其主要气候特征是：冬季漫长干燥，夏季短促温和，秋季凉爽多雨，春季干旱多风，冰结期长，农耕短促，光照充足，日照时间长，太阳辐射强，垂直气候带变化大。

湟中县气象站有多年观测资料，且观测项目较全，精度较高，可作为项目依据站。根据湟中县气象站气象要素统计结果：项目区年平均气温3.8℃，最热月(7月)平均气温11-17℃，极端最高气温29.4℃，极端最低气温-31.7℃；平均风速2.1m/s，最大风速20m/s，年降水量523mm，一日最大降水量52.3mm；全年日照时数2588.3h；日照百分率为58%；年平均相对湿度64%；年蒸发量833.3mm(E601蒸发皿)。

3 水文

尕院沟属无资料地区，其干流的小南川流域有王家庄站，该站集水面积370km2，控制河长40.8km，河道平均比降21.7‰，距河口2.1km。观测项目有水位、流量、泥沙、降水、蒸发、冰情、岸温、比降等。王家庄水文站有1959-2010年的实测水文资料，该水文资料已经过青海省水文水资源勘测局的整编和审查，可作为水文分析计算的依据。水文站资料情况见表1。

表1 水文站资料情况表

4 洪水

4.1 暴雨洪水特性

湟水流域南有拉脊山，北有大坂山，西有日月山，地势西高东低。拉脊山东北侧和大通山南侧，由于位置偏北，西风带系统过境频繁，在盛夏季节受西南气流系统影响，水汽较为充沛。同时由于近地层气温较高，常使大气地层处于不稳定状态，促使热力对流的形成，而且地形利于抬升和对锋面的阻拦作用，以及河西走廊冷空气沿河谷倒灌等因素的影响，使这拉脊山东北侧和大通山南侧地区成为湟水流域暴雨频次最多，强度最大的地区。

设计流域的暴雨一般都发生在7月-9月，其中7月中旬到8月底更为集中，较大暴雨大部分是傍晚或夜间发生，暴雨历时较短，一般只有几小时。暴雨的空间分布很不均匀，暴雨雨区面积小，强度较大。

设计流域的洪水主要由暴雨形成，暴雨和洪水在时间上具有很好的相应性。其较大洪水都发生在夏汛，由暴雨所形成，发生时间大多集中在7月-9月。设计流域洪水的地区分布很不均匀。

4.2 设计洪峰流量计算

由于治理断面所在区域没有洪水资料，也没有暴雨资料。根据《水利水电工程洪水计算规范》(SL44-2006)对无资料地区设计洪水的计算要求，本次计算主要采用地区经验公式法、洪峰模数法、地区综合法和推理公式法，经综合分析后确定治理断面处的设计洪水。

4.2.1 经验公式法

治理断面所在区域属于湟水南岸支流，流域属于Ⅲ5水文分区(湟水谷地脑山带强侵蚀半干旱区)，计算治理断面处不同频率的设计洪峰流量。计算结果见表2。

表2 经验公式法计算设计洪峰流量成果表 (单位：洪峰流量m3/s)

4.2.2 洪峰流量模数等值线法

利用《青海省水文手册》多年平均洪峰流量模数等值线图、洪峰流量 Cv 等值线图和Cs/Cv 分区图，查得流域中心多年平均洪峰流量模数M=0.80，Cv=1.10，Cs/Cv为3.0。计算设计洪峰流量的公式：

式中：Qm——不同频率设计洪峰流量(m3/s)；

KP——为设计频率P相应的模比系数；

M——多年平均年最大洪峰流量模数(m3/s·km2)；

F——流域面积(km2)。

不同频率的设计洪峰流量计算成果见表3。

表3 洪峰流量模数推求设计洪峰流量计算表

4.2.3 地区综合法

利用地区综合法计算不同频率设计洪峰流量，计算公式：

Q设=(F设/F参)nQ参

式中：Q设——设计断面的洪峰流量(m3/s)；

Q参——参证水文站的洪峰流量(m3/s)；

F设——设计断面的面积(km2)；

F参——参证水文站的面积(km2)。

2002年7月，黄委会勘测规划设计研究院在进行青海省盘道水库初步设计时，曾对湟水流域支流的设计洪水进行过详细的分析，湟水流域南岸支流盘道沟的设计洪水成果最终采用地区综合法计算的成果，其中面积综合指数采用0.60，其设计洪水成果也是比较合理的。本次计算中直接采用其面积综合指数。

尕院沟位于小南川王家庄站上游，王家庄站实测资料系列较长，资料代表性好。因此选用王家庄站作为设计洪水计算的参证站。王家庄站集水面积370km2，控制河长40.8km，河道平均比降21.7‰，设计洪水成果见表4，以王家庄站设计洪水成果推算尕院沟断面设计洪峰流量，计算结果见表5。

表4 王家庄站设计洪水成果表 (单位：洪峰流量m3/s)

表5 地区综合法设计洪水成果表 (单位：洪峰流量m3/s)

4.2.4 推理公式法

该流域暴雨主要发生在6-9月，尤以7-8月最多，该地区多为突发性暴雨形成的局部洪水，暴雨历时短，笼罩面积小，强度大，汇流时间短，暴雨形成的洪水破坏力大，其洪水特点为暴涨暴落，峰型尖瘦，历时短。因此采用推理公式法计算设计洪水可较好的反映当地的暴雨洪水特性。

(1)设计暴雨

①点设计暴雨量

尕院沟没有暴雨资料，因此从《青海省水文手册》年最大10min、30min、1h、6h和24h东部地区雨量均值和Cv值等值线图放大图中查得流域中心的暴雨特征参数，根据流域特征和该地区的暴雨特性，按CS=3.5CV，计算得不同频率不同时段的设计点雨量成果见表6。

②计算设计面雨量

对于防洪断面集水面积小于30km2的沟道，其面雨量就等于点雨量，无须进行点面折算，其点面折算系数为1.0。尕院沟河道治理工程断面以上集水面积仅13.38km2，因此不进行折算，其点雨量就等于面雨量的初值。根据第⑸栏各历时设计面雨量的初值，采用多元回归求解参数：分别填入第⑹、⑺、⑻栏，利用暴雨公式，计算设计面雨量，填入第⑼栏。

表6 设计面雨量计算

③时程分配

该流域属于东部地区湟水流域脑山区，采用青海省东部地区设计暴雨时雨型“模板”进行时雨型分配，分配结果见表7。

表7 一小时主雨峰对齐(P=5%)时程分配表

续表

④由已知的暴雨公式的三个参数，计算主雨日的主雨历时为4.8h，计算得主雨面雨量为42.6mm。

(2)设计洪水

流域产流计算包括设计洪水净雨深计算和净雨过程计算两部分。本次产流计算采用双曲正切模型，双曲正切模型引入了主雨面雨量、主雨历时、最大可能损失等反应干旱半干旱区雨强特征与损失变化的量，且概念明确、结构简单、参数少。双曲正切模型的优点是简单易行，缺陷是不能体现降雨的时程分布。

双曲正切模型参数有三个，分别为充分风干流域的吸水率Sr、饱和流域土壤的导水率Ks、暴雨来临前流域包气带的持水度B0。模型输入为设计频率下的主雨面雨量及主雨历时，输出为该设计频率下场次洪水的净雨深。双曲正切模型公式如下：

Sr=89.20ζ2-62.32ζ+27.15

Ks=15.62ζ2-6.34ζ+1.69

=1.30η+0.81

式中，ζ表示林灌的百分比(小数)，η表示砂岩的百分比(小数)。

①根据工程所在流域的下垫面条件，该流域属于Ⅲ5水文分区(湟水谷地脑山带强侵蚀半干旱区)，根据手册公式(7.3.3-7.3.4)、青海省区域化参数Sr、Ks一览表及青东南山地半干旱半湿润区土壤持水度值查算表对流域包气带的吸收率Sr、流域包气带的导水率Ks及主雨日的流域持水度B0进行计算，从而可求得设计频率下场次洪水的净雨深Rp。

②计算产流历时。将设计暴雨三参数Sp、λ、ns和Rp带入下式中求解产流历时tc。

在普通坐标系中绘制f(t)-t关系曲线，在f(t)轴上截取OR=Rp,过R点做水平线，交f(t)-t曲线于P点，P点的横坐标即为产流历时tc。

④把汇流参数带入公式

将S1%、λ、ns等参数带入公式

在普通坐标系中绘制关系曲线，两曲线交点的横坐标即为相应的汇流历时，纵坐标为最大洪峰流量。

经计算，尕院沟防洪工程断面20年一遇洪水流量为14.2m3/s。推理公式法计算表见表8。

表8 推理公式法计算表

4.2.5 设计洪水成果比较分析

尕院沟防洪工程断面不同频率的设计洪峰流量计算采用了经验公式法、洪峰流量模数法、地区综合法和推理公式法。不同方法计算成果比较见表9。

表9 各种方法计算的洪峰流量结果比较

从上表可以看出，四种计算方法结果经验公式法最大，其他三种方法成果基本一致。

①经验公式法选用王家庄、南川河口、八里桥、董家庄水文站多年平均年最大流量与流域面积建立关系，选用站流域面积范围为370-636km2，而项目区尕院沟流域面积较小(仅为13.38km2)，两者面积相差较大。另外由于建立公式时主要考虑年最大流量与流域面积的关系，未考虑地区降水均匀程度及流域内下垫面等自然地理因素的影响，使用本方法受到一定的局限。

②青海省水文手册中洪峰流量模数等值线以调查洪水资料和流域面积在100-5000km2的测站资料进行统计分析和地区综合，较适合于中等流域，对面积在100km2以上的流域使用精度较高。

③地区综合法采用下游王家庄站实测洪水资料，资料可靠、系列较长、代表性好，但尕院沟防洪工程治理断面位于流域的上游地区，且流域面积较小，采用王家庄成果计算时带来一定的误差。

④推理公式法是借助设计暴雨推算设计洪水，也是目前国内水利工程在无资料地区设计洪水计算多采用的方法。推理公式法在计算时充分考虑当地的暴雨洪水特性，能较真实地反映小沟道的实际情况，一般在小流域的适用性较好。

综上所述，推荐采用推理公式法设计洪水成果作为尕院沟防洪工程断面采用的成果，即尕院沟防洪工程断面20年一遇洪水流量为14.2m3/s。