馮平秀/寧夏水文水資源勘測(cè)局中衛(wèi)分局

寧夏荒漠區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析研究
——以靈武市馬家灘礦區(qū)南湖工程水文分析為例

馮平秀/寧夏水文水資源勘測(cè)局中衛(wèi)分局

設(shè)計(jì)洪水計(jì)算是工程設(shè)計(jì)的技術(shù)依據(jù)。本文以靈武市馬家灘礦區(qū)南湖工程水文分析計(jì)算為例，就寧夏荒漠區(qū)暴雨洪水特點(diǎn)、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算以及成果合理性分析進(jìn)行了論述，提出荒漠區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中要結(jié)合實(shí)地勘察合理選取參數(shù)，同時(shí)產(chǎn)流計(jì)算要充分考慮損失，為今后同類地區(qū)計(jì)算設(shè)計(jì)洪水提供參考。

設(shè)計(jì)洪水；荒漠區(qū)；寧夏

1 引言

寧夏荒漠區(qū)洪水調(diào)查資料缺乏，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算屬于無資料地區(qū)，需用暴雨推求設(shè)計(jì)洪水，在計(jì)算過程中，產(chǎn)匯流計(jì)算需要根據(jù)實(shí)地情況合理選取參數(shù)，以保證計(jì)算結(jié)果合理可靠，本次以靈武市馬家灘礦區(qū)南湖工程水文分析為例，分析荒漠區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算過程中需要注意的問題及特點(diǎn)。

2 工程所處流域概況

工程區(qū)位于靈武市馬家灘鎮(zhèn)以南，鹽池縣馮記溝鄉(xiāng)以北。地處毛烏素沙漠西南邊緣，位于鹽池內(nèi)流河流域，屬低緩的半沙漠緩坡丘陵地貌單元。地形多呈梁崗狀臺(tái)地及封閉型洼地，部分地區(qū)零星分布著流動(dòng)沙丘，形成風(fēng)積地貌。梁崗多呈南北向分布，頂部寬闊平緩，低緩丘陵梁崗之間的廣大地區(qū)屬?zèng)_洪積平原，地勢(shì)較為平坦寬闊，無明顯的山洪溝道。局部地帶形成很多封閉型洼地，為地表水和地下水匯集地，地下水多為高礦化咸水，由于長(zhǎng)期蒸發(fā)濃縮作用，形成一系列鹽堿地和鹽池。工程控制流域以風(fēng)蝕為主，洪水溝道不明顯或?yàn)轱L(fēng)沙掩埋，僅馬家灘鎮(zhèn)西北方有較為明顯的流水溝道，平日無地表徑流，屬于風(fēng)沙干旱區(qū)。

3 水文要素

項(xiàng)目區(qū)多年平均降水量240.0mm，由南向北遞減。降水年際變化大，年內(nèi)分配不均，主要集中在7、8、9三個(gè)月，占全年降水量的59.0％。多年平均水面蒸發(fā)量1500mm（E601型蒸發(fā)器）。11月至次年3月為結(jié)冰期，水面蒸發(fā)量小，最小月出現(xiàn)在氣溫最低月的1月份、12月份。春季風(fēng)大，氣溫回升，蒸發(fā)量增大，最大月蒸發(fā)量一般出現(xiàn)在5、6月份。干旱指數(shù)為6.3，為干旱區(qū)。

流域的徑流年內(nèi)分配不均，主要集中在汛期6～9月，與降水年內(nèi)變化相應(yīng)。年際變化很大，最大、最小相差7.9倍。該流域多年平均年徑流量90.3萬m3，多年平均徑流量偏差系數(shù)Cv值為0.65，偏態(tài)系數(shù)Cs=2.0Cv，其保證率為50％、75％的設(shè)計(jì)徑流分別為78.0萬m3、47.0萬m3。

區(qū)域多年平均輸沙模數(shù)1000t/km2，年輸沙總量60.2萬t，輸沙量主要集中在6～9月，占全年輸沙總量的98.2％。

4 暴雨洪水特性

4.1 暴雨特性

該區(qū)域處于干旱區(qū)，暴雨的發(fā)生有明顯季節(jié)性，6～9月正是太平洋副熱帶高壓極盛時(shí)期，暖濕氣流大量輸送，形成中小尺度切變、低渦，和本地的冷空氣配合，輻合上升運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，易形成雨強(qiáng)大、歷時(shí)短、籠罩面積小的局地暴雨。暴雨持續(xù)時(shí)間短、強(qiáng)度大，點(diǎn)面折減快，極易造成災(zāi)害。各年發(fā)生暴雨次數(shù)不等，暴雨一般集中在每年的6～9月。

4.2 洪水特性

該區(qū)域洪水特性與暴雨特性相應(yīng)，即年際變化大，有明顯的季節(jié)性、地區(qū)性。洪水大小及發(fā)生次數(shù)與暴雨強(qiáng)度、歷時(shí)、籠罩面積等因素有關(guān)。

區(qū)域暴雨洪水不均勻的特性較為明顯，洪峰流量隨流域面積的增大而緩慢增加，一般為單峰，復(fù)式洪峰較少。洪峰流量大小與產(chǎn)流面積、暴雨集中程度、歷時(shí)有關(guān)。歷時(shí)短，洪峰陡漲陡落，峰高量小，峰型尖瘦，洪水歷時(shí)一般在3～6h。

5 設(shè)計(jì)洪水

該流域內(nèi)沒有實(shí)測(cè)水文資料，采用暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水，依據(jù)《寧夏暴雨洪水圖集》、《寧夏干旱半干旱區(qū)小流域暴雨洪水泥沙研究》及新修訂的寧夏不同歷時(shí)暴雨參數(shù)等值線圖。由于工程控制范圍大，在計(jì)算中選取了多個(gè)斷面分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法一致，本文僅以3號(hào)斷面（56.82km2）為例進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析。

5.1 設(shè)計(jì)暴雨

該區(qū)域1小時(shí)、6小時(shí)各保證率設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量均值為17.5mm、32.0mm。設(shè)計(jì)最大點(diǎn)雨量參數(shù)，1小時(shí)Cv=0.72，6小時(shí)Cv=0.68，Cs=3.5Cv。

表1 計(jì)算斷面各保證率設(shè)計(jì)點(diǎn)面雨量表

5.2 設(shè)計(jì)洪水

5.2.1 產(chǎn)流計(jì)算

根據(jù)工程設(shè)計(jì)頻率和不同歷時(shí)點(diǎn)雨量均值及統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖，求出該流域設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量，然后根據(jù)不同計(jì)算分區(qū)、面積、重現(xiàn)期等選擇點(diǎn)面折減系數(shù)，求得不同保證率的面雨量。該區(qū)選用同頻內(nèi)包雨型，然后由面雨量過程以扣損法計(jì)算產(chǎn)流過程。

產(chǎn)流公式如下：

Ri=Hi-fi

Ri－為產(chǎn)流期某時(shí)段凈雨 (mm)；

Hi－為產(chǎn)流期某時(shí)段面雨量 (mm)；

fi－為產(chǎn)流期某時(shí)段損失水量（mm）；

《寧夏暴雨洪水圖集》產(chǎn)流區(qū)劃分中該項(xiàng)目區(qū)屬于黃土丘陵II1區(qū)。隨著資料系列延長(zhǎng)，《寧夏干旱半干旱區(qū)小流域暴雨洪水泥沙研究》對(duì)產(chǎn)匯流區(qū)進(jìn)一步的細(xì)化，該項(xiàng)目區(qū)屬于風(fēng)沙干旱區(qū)中的沙漠區(qū)。根據(jù)實(shí)地勘察，結(jié)合與該區(qū)域地形地貌相近的鹽池王樂井鄉(xiāng)歷史洪水資料，本次產(chǎn)流區(qū)采用《寧夏干旱半干旱區(qū)小流域暴雨洪水泥沙研究》中的沙漠區(qū)扣損公式計(jì)算。同時(shí)考慮流域內(nèi)沒有成型溝道，洼地比較多，土壤下滲比較大，暴雨形成的徑流邊匯流邊下滲，到達(dá)計(jì)算斷面的洪水逐步減少，所以本次平均損失率在沙漠區(qū)的基礎(chǔ)上系數(shù)加大10％計(jì)算公式如下：

5.2.2 匯流計(jì)算

匯流計(jì)算是根據(jù)推求的設(shè)計(jì)凈雨過程 Ri推求流域出口斷面的洪水流量過程，采用納希瞬時(shí)單位線法推求。按瞬時(shí)單位線原理，就是凈雨歷時(shí)趨于零的極小時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生的一個(gè)單位凈雨（1mm凈雨深）在出口處所形成的流量過程線，其公式為：

式中：t——時(shí)段變量；

u(t)——為t時(shí)的瞬時(shí)單位線的縱坐標(biāo)；

n,k——為瞬時(shí)單位線形狀參數(shù)；

Γ(n)——伽瑪函數(shù)

據(jù)上式可導(dǎo)出時(shí)段單位線方程式為：

式中： q(Δt·t)面積為F的流域上，t時(shí)段內(nèi)凈雨量為1mm的單位線在t時(shí)段的縱坐標(biāo)，以m3/s計(jì);

Δt——計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)（h）；

[S(t)- S(t-Δt)]簡(jiǎn)寫為ΔS(t)，稱為Δt小時(shí)無因次時(shí)段t時(shí)的縱高。一般以μ(Δt·t)表示。

5.2.3 計(jì)算參數(shù)

在計(jì)算瞬時(shí)單位線，進(jìn)行洪水演進(jìn)時(shí)，須求得參數(shù)n，k，滯時(shí)M，計(jì)算公式如下：

n=1.22L0.231，K=M1i/n，M1i=0.148L0.9i-0.093

i——產(chǎn)流區(qū)平均凈雨強(qiáng)度（mm/h）；

L——概化長(zhǎng)度（km）。

5.2.4 計(jì)算成果

通過計(jì)算，斷面10年、20年、30年一遇暴雨基本不產(chǎn)生洪水，主要由于該區(qū)域地形比較平坦，土壤基本為沙土，下滲量比較大，加之沙生植物生長(zhǎng)，流域內(nèi)無明顯溝型，降雨基本全部下滲。結(jié)合鹽池縣王樂井鄉(xiāng)歷史洪水分析，948洪水分析成果“沙漠區(qū)一般20～30一遇暴雨基本不產(chǎn)生洪水，50年一遇產(chǎn)生正常洪水的一半，百年以上暴雨才能產(chǎn)生較大洪水（約10～20年一遇）”。計(jì)算成果與歷時(shí)洪水調(diào)查結(jié)果基本一致，符合實(shí)際情況。

表2 斷面各保證率設(shè)計(jì)洪峰流量、洪水總量表

6 成果合理性分析

該流域內(nèi)沒有實(shí)測(cè)水文資料，本次利用Google Earth對(duì)本區(qū)域下墊面條件與90年代進(jìn)行對(duì)比分析，該區(qū)域現(xiàn)狀植被覆蓋率較90年代有了較大幅度提高，主要是近二十年來封山禁牧的效果。地形條件基本沒有變化，本次采用地貌類型與該流域非常接近的鹽池縣9408暴雨洪水成果比較分析。

6.1 設(shè)計(jì)暴雨的合理性

鹽池縣9408暴雨洪水長(zhǎng)城以北斷面集水面積17.4km2，6小時(shí)點(diǎn)雨量83.7mm，重現(xiàn)期24年一遇，本次計(jì)算項(xiàng)目區(qū)30年一遇6小時(shí)點(diǎn)雨量85.4mm，與長(zhǎng)城以北調(diào)查斷面相差2.0％。八堡斷面集水面積66.5km2，6小時(shí)點(diǎn)雨量151mm，重現(xiàn)期246年一遇，本次計(jì)算項(xiàng)目區(qū)300年一遇6小時(shí)點(diǎn)雨量141mm，與八堡斷面調(diào)查值相差6.6％。從點(diǎn)雨量均值等值線圖分析，本區(qū)域1h、6h點(diǎn)雨量均值比鹽池縣城附近略小，說明本次計(jì)算值是合理的。

6.2 設(shè)計(jì)洪水的合理性

6.2.1 暴雨與洪水頻率

根據(jù)鹽池縣948暴雨洪水計(jì)算，八堡斷面暴雨的重現(xiàn)期為246年一遇，長(zhǎng)城以北區(qū)域暴雨的重現(xiàn)期為24年一遇，洪水重現(xiàn)期分別為45年、2年。說明該區(qū)域洪水重現(xiàn)期遠(yuǎn)小于暴雨的重現(xiàn)期。鹽池縣948暴雨洪水調(diào)查各分區(qū)暴雨與洪水頻率對(duì)照表見表3。

表3 各分區(qū)暴雨與洪水頻率對(duì)照表

本次分析成果中，重現(xiàn)期30年以下的暴雨基本不產(chǎn)生洪水，超過50年的暴雨才產(chǎn)生洪水的結(jié)論是合理的。

6.2.2 洪峰模數(shù)

“948”暴雨洪水成果中調(diào)查的八堡斷面調(diào)查洪峰流量98.0m3/s，調(diào)查重現(xiàn)期45年一遇，計(jì)算洪峰流量154m3/s，計(jì)算洪峰重現(xiàn)期195年一遇。計(jì)算與調(diào)查值相差較大，主要原因是控制區(qū)域內(nèi)的洪水無行洪溝道，調(diào)查斷面只控制了本區(qū)域來水的一部分，因此，調(diào)查洪峰值偏小。八堡斷面調(diào)查洪峰模數(shù)1.47，計(jì)算洪峰模數(shù)2.32，本分析成果中與八堡斷面控制面積接近的3號(hào)斷面控制流域面積56.82km2，計(jì)算面積27.41km2，采用6小時(shí)同頻內(nèi)包雨型計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，與6小時(shí)面雨量同頻的設(shè)計(jì)洪水，300年一遇洪峰模數(shù)1.83，介于八堡斷面調(diào)查洪峰與計(jì)算的洪峰模數(shù)之間。由于八堡調(diào)查斷面洪水沒有全部控制，所以調(diào)查值偏小，洪峰模數(shù)也偏小，本次計(jì)算洪峰模數(shù)略大于八堡斷面調(diào)查的洪峰模數(shù)，基本合理。

表4 設(shè)計(jì)洪水與鹽池948暴雨洪水八堡斷面調(diào)查值對(duì)比表

6.2.3 徑流系數(shù)

（1）根據(jù)苦水河流域郭家橋水文站實(shí)測(cè)暴雨洪水資料統(tǒng)計(jì)分析，其徑流系數(shù)多在0.08～0.11之間。

表5 苦水河郭家橋歷史大洪水分析成果對(duì)照表

（2）根據(jù)鹽池縣948暴雨洪水調(diào)查成果，暴雨降水總量達(dá)5373萬m3，真正形成的洪水總量?jī)H為714萬m3，徑流系數(shù)平均為0.13。

鹽池縣948暴雨洪水調(diào)查成果中，八堡斷面暴雨的重現(xiàn)期為246年一遇，徑流系數(shù)0.15，長(zhǎng)城以北區(qū)域暴雨的重現(xiàn)期為24年一遇，徑流系數(shù)0.02。說明調(diào)查斷面的徑流系數(shù)與暴雨重現(xiàn)期關(guān)系密切，暴雨重現(xiàn)期越稀遇，徑流系數(shù)越大，反之越小。且該區(qū)域洪水重現(xiàn)期遠(yuǎn)小于暴雨的重現(xiàn)期。與八堡斷面面積接近的3號(hào)斷面300年一遇降水總量649.5萬m3，相應(yīng)的洪水總量44.6萬m3，徑流系數(shù)0.07，比郭家橋水文站和八堡調(diào)查斷面徑流系數(shù)小。

表6 調(diào)查斷面徑流系數(shù)分析對(duì)照表

經(jīng)與該區(qū)域鄰近的水文站實(shí)測(cè)資料分析及調(diào)查洪水資料對(duì)比分析，考慮該區(qū)域的地形、地貌特點(diǎn)及流域產(chǎn)匯流條件及實(shí)地勘察情況，由于該區(qū)域沒有成型溝道，洼地較多，經(jīng)與90年代植被覆蓋率相比，植被覆蓋度有了較大幅度提高。因此，相比948調(diào)查暴雨洪水情況，徑流系數(shù)偏小是合理的。加之區(qū)域內(nèi)洼地較多，降水一部分下滲，形成徑流的部分通過植被截蓄，部分匯入就近洼地，實(shí)際匯入計(jì)算斷面的洪水比較小。因此，徑流系數(shù)也小。所以，本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的逐項(xiàng)成果是合理。

7 結(jié)論

（1）對(duì)于水文站分布較少，且缺乏實(shí)測(cè)資料的荒漠區(qū)，設(shè)計(jì)洪水一般采取暴雨推求。

（2）荒漠區(qū)土壤以風(fēng)沙土為主，結(jié)構(gòu)松散，侵蝕嚴(yán)重，肥力脊薄，降雨入滲比較大，相應(yīng)暴雨產(chǎn)流過程中，扣損較其他地區(qū)偏大。

（3）寧夏荒漠區(qū)雖無明顯溝道或洪水較少，但仍然有大暴雨及較大洪水發(fā)生，而且部分行洪溝道是當(dāng)次暴雨形成，洪水過后被風(fēng)沙掩埋，所以在計(jì)算設(shè)計(jì)洪水時(shí)需根據(jù)實(shí)地勘察合理選取參數(shù)計(jì)算。

（4）重現(xiàn)期30年以下的暴雨基本不產(chǎn)生洪水，超過50年的暴雨才產(chǎn)生洪水的結(jié)論是合理的

[1]SL44-2006，水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范[S].(SL44-2006.

[2]SL278-2002，水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范[S].(SL278-2002.

[3]DL/T5431-2009，水電水利工程水文計(jì)算規(guī)范[S].(DL/T5431-2009.

[4]譚維炎，張維然，等.水文統(tǒng)計(jì)常用圖表[z].北京：水利出版社，1982.

[5]魏禮寧，馬如國(guó)，等.寧夏回族自治區(qū)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)[R].寧夏：寧夏人民出版社，2005.