孫海峰 王宏

【摘要】石牛河水源工程是針對(duì)陜西省平利縣城供水配套建設(shè)的水源工程，通過對(duì)該工程所在的壩河流域水文條件、工程所在壩址區(qū)概況分析。在確定流域洪水方面按照“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，在對(duì)三種方法進(jìn)行比選的基礎(chǔ)上，對(duì)推理公式法進(jìn)行了重點(diǎn)分析研究，提出對(duì)特小流域面積實(shí)際水利工程可優(yōu)先采用推理公式法進(jìn)行暴雨設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，達(dá)到準(zhǔn)確性高而低誤差低的最佳效果。

【關(guān)鍵詞】暴雨設(shè)計(jì)洪水；推理公式法；壩河；石牛河水源地

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)和旬陽縣，在旬陽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；中下游河谷開闊，山勢較緩，河段較寬，河床多形成漫灘，人類活動(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，終年清澈見底。

1 流域概況

1.1水文氣象

壩河全流域面積2080km?，主河道長128km，平均比降3.88‰。壩河流域呈扇形水系，主要支流有秋河、長安河、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，為水庫式電站，壩址以上流域面積433km?，水庫總庫容2835萬m?，興利調(diào)節(jié)庫容2024萬m?，死庫容756萬m?，屬年調(diào)節(jié)水庫。

壩河流域位于北亞熱帶邊緣濕潤季風(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，秋涼濕潤并多連陰雨。總的說來，氣候溫和，四季分明，雨量充沛，無霜期長，熱量充足，光照稍差。根據(jù)流域內(nèi)平利氣象站實(shí)測資料可反映區(qū)域氣象特性。根據(jù)平利氣象站觀測資料統(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）最大凍土深度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，造成的洪水峰型較肥，過程平緩，歷時(shí)較長，一次較大洪水過程歷時(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，到2020年，規(guī)劃區(qū)用水規(guī)模達(dá)到2.6萬m?/日，現(xiàn)有供水縣城水廠供水能力僅為1.1萬m?/日，缺口達(dá)1.5萬m?/日，現(xiàn)有供水工程已不能夠滿足用水需求。通過對(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，地勢較高。從1：5萬地形圖分析，所選水源地地勢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，完全滿足重力輸水至平利縣城的地形地勢要求。

3 計(jì)算方法

石牛河水源工程壩址區(qū)域內(nèi)無水文測站和洪水觀測資料，按無資料地區(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。

3.1 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（m?/s）；

F—工程設(shè)計(jì)流域面積（km?），F(xiàn) =43.7 km?；

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)算成果見表1。

3.2 綜合參數(shù)法

按照《陜西省安康地區(qū)實(shí)用水文手冊》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（m?/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)；

η、α、β、γ—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》可知：η=0.65，α=0.625， β=0.45， γ=0.11，用綜合參數(shù)法計(jì)算的工程區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果見表2。

3.3 用暴雨資料推理公式法

3.3.1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43.7km?，根據(jù)《陜西省安康地區(qū)實(shí)用水文手冊》可知，當(dāng)流域面積介于20～50 km?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》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： —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（km?）；

—線性擬合參數(shù)與指數(shù)。

3）設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)程分配

本流域設(shè)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》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)段面雨量見表3。

3.3.2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》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)流過程，在產(chǎn)流過程中扣除該區(qū)的占產(chǎn)流量20%的潛流量，得出地面凈雨過程，從而得出不同頻率凈雨深及相應(yīng)洪水總量。

3.3.3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>τ）： Qm=0.278Fhτ/τ

部分匯流（tc<τ〕 ： Qm=0.278Ftch/tc

式中：Qm —洪峰流量（m?/s）；

h、hτ—單一洪峰的凈雨量和相應(yīng)于τ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、τ—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；

α、β—經(jīng)驗(yàn)性指數(shù)，取α=1/3，β=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》表6-11計(jì)算。

θ=L/（J1/3F1/4），m=0.679θ0.1018

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Qτ～τ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圖1和圖2。

圖1 20年一遇洪水圖解試算曲線 圖2 50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》中的三種方法是根據(jù)多年觀測資料推算而來，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，采用推理公式法計(jì)算壩址處各頻率洪峰流量成果是最為合理的方式，也是在日常水文計(jì)算中最常采用的一種計(jì)算方法。

5 結(jié)語

通過對(duì)分別采用洪峰面積相關(guān)法、地區(qū)綜合參數(shù)法和推理公式法對(duì)石牛河水源地工程建設(shè)過程的暴雨設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行推算，對(duì)各種設(shè)計(jì)洪水推算方法進(jìn)行了分析比選?？梢钥闯?，對(duì)于像石牛河水源地所轄的特小流域暴雨設(shè)計(jì)洪水推求，無論從時(shí)空分布還是流域匯流特性等方面均能采用推理公式法進(jìn)行最大化的精確計(jì)算，誤差較小，對(duì)其它同等小型水利工程具有參考價(jià)值。

[作者簡介] 王琴（1983-），女，陜西三原人，助理工程師，主要從事水利工程的管理及設(shè)計(jì)工作。