丁　成

(甘肅省天水水文水資源勘測(cè)局， 甘肅 天水 741000)

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地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式在無(wú)資料小流域山洪溝道設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中的應(yīng)用分析

丁成

(甘肅省天水水文水資源勘測(cè)局， 甘肅 天水 741000)

[摘要]采用蘭州洪水經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算李黃溝百年一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰流量，用推理公式進(jìn)行復(fù)核，兩種方法計(jì)算結(jié)果相近，相對(duì)誤差絕對(duì)值不足3%，說(shuō)明蘭州洪水經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算精度較高。由于地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式采用的參數(shù)一般是根據(jù)當(dāng)?shù)剜徑鼫系缹?shí)測(cè)或調(diào)查資料確定，因此地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式較其他方法更能反映當(dāng)?shù)亓饔虻膶?shí)際情況，往往具有較高的使用價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]蘭州洪水經(jīng)驗(yàn)公式；推理公式；設(shè)計(jì)洪水計(jì)算；李黃溝

無(wú)資料地區(qū)山洪溝道設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算方法有多種，目前常用的有推理公式法、單位線法、經(jīng)驗(yàn)公式法(如原鐵道部科學(xué)研究院公式)等等，與之相比，地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式具有簡(jiǎn)單、實(shí)用、精度高等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)在生產(chǎn)中加以推廣。

本文以蘭州市境內(nèi)的李黃溝為典型流域，分別使用蘭州洪水經(jīng)驗(yàn)公式和推理公式兩種方法計(jì)算其百年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量，對(duì)蘭州洪水經(jīng)驗(yàn)公式的精度進(jìn)行驗(yàn)證。

李黃溝為黃河一級(jí)支流，發(fā)源于蘭州市皋蘭縣中心鄉(xiāng)境內(nèi)山區(qū)，溝腦最高點(diǎn)高程約1 706 m，溝口最低點(diǎn)約1 550 m，溝道縱坡比降為33‰，溝長(zhǎng)4.5 km(其中山區(qū)3.1 km，階地1.4 km)，溝道平時(shí)干涸無(wú)水，雨期偶有洪水徑流，屬季節(jié)性山洪溝道。該溝流域處于蘭州市安寧區(qū)沙井驛北部黃土丘陵區(qū)，形狀呈長(zhǎng)條形，面積3.31 km2(其中山區(qū)面積2.47 km2)，地貌多砂泥巖出露，植被覆蓋率僅5%。

李黃溝所在地區(qū)屬于無(wú)水文資料地區(qū)。

1蘭州洪水經(jīng)驗(yàn)公式及洪水計(jì)算

由于歷史、經(jīng)濟(jì)等各種原因，蘭州市城區(qū)周圍的河流溝道均未設(shè)立水文測(cè)站，為了獲取水文計(jì)算基本資料，從上世紀(jì)七十年代起，甘肅省水文水資源局在蘭州城區(qū)主要的山洪溝道上設(shè)置了定點(diǎn)洪水調(diào)查河段，每年開展洪水調(diào)查作業(yè)，獲得了主要溝道年最大洪峰流量及發(fā)生時(shí)間等重要資料。

2000年，甘肅省工程咨詢中心召集省內(nèi)相關(guān)專家，基于上述定點(diǎn)洪水調(diào)查資料等450多站年的水文資料，在有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，進(jìn)行概化和參數(shù)率定，提出了蘭州洪水經(jīng)驗(yàn)公式：

Q1%= Qpj(Φ1%Cv+1)

(1)

Qpj=kF0.6Hpj0.75J0.19f0.09

(2)

式中：Q1%為設(shè)計(jì)洪峰流量(m3/s)；Qpj為年最大洪峰流量均值(m3/s)；Cv為離差系數(shù)，采用有水文資料的鄰近地區(qū)的洪峰流量離差系數(shù)值或根據(jù)《甘肅省暴雨洪水圖集》查算。綜合分析鄰近地區(qū)水文站資料，李黃溝地區(qū)Cv可取值1.2(C/C采用3.5)；Φ1%為離均系數(shù)，可查閱P-Ⅲ型頻率曲線離均系數(shù)Φ值表取得，本次百年一遇洪水的Φ值為4.051；k為綜合系數(shù)，在黃土溝壑區(qū)一般取0.22～0.27，本次計(jì)算取值0.26；F為流域面積(km2)；Hpj為年均最大1小時(shí)雨量均值(mm)。根據(jù)《甘肅省暴雨洪水圖集》，李黃溝地區(qū)最大1 h點(diǎn)雨量均值在14～18 mm之間，換算成李黃溝流域年均面雨量，即年均最大1 h雨量均值，為17.0 mm；J為干流溝道平均坡降(‰)，李黃溝為33‰；f為流域形狀系數(shù)，采用f=F/L2(L為河溝長(zhǎng))計(jì)算，李黃溝為0.34。

根據(jù)上述各參數(shù)的取值，可用公式1和2計(jì)算出，李黃溝百年一遇洪峰流量為46.1 m3/s。

2推理公式及洪水計(jì)算

采用全面匯流計(jì)算公式：

Q1%=0.278(S1%/tn-μ)F

(3)

τ=0.278L/(mJ1/3Q1%1/4)

(4)

式中：S1%為設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)(mm/h)，根據(jù)李黃溝周邊雨量站實(shí)測(cè)資料計(jì)算，李黃溝1%設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)為51.9 mm/h；t為產(chǎn)流歷時(shí)(h)；n為暴雨遞減指數(shù)，根據(jù)附近地區(qū)實(shí)測(cè)資料分析，李黃溝地區(qū)應(yīng)為0.6；μ為暴雨損失強(qiáng)度(mm/h)，根據(jù)鄰近地區(qū)實(shí)測(cè)資料分析，李黃溝地區(qū)為1.41 mm/h；F為出口斷面以上流域面積(km2)，李黃溝流域?yàn)?.47 km2；L為出口斷面以上主溝道長(zhǎng)度(km)，李黃溝流域約為3.1 km；m為匯流參數(shù)，李黃溝地區(qū)為1.7；J為溝道平均比降(‰)；τ為匯流時(shí)間(h)；

將上述相關(guān)參數(shù)值代入公式3和4，得到公式5和6

Q1%=35.64/t0.6-0.97

(5)

τ=1.58/Q1%1/4

(6)

假定一組t值，可算出一組Q1%值，假定一組Q1%值，可算出一組τ值，見表1。

采用曲線交匯法，點(diǎn)繪Q1%～t、τ～Q1%曲線，見圖1。曲線交點(diǎn)的縱坐標(biāo)即為洪峰流量，即100 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量值為47.3 m3/s。

表1　李黃溝流域Q1%～t、τ～Q1%關(guān)系表

圖1　李黃溝流域Q1%～t、τ～Q1%曲線圖

3洪水計(jì)算成果分析

由于李黃溝的流域面積特別小，附近有洪水調(diào)查資料的溝道控制面積都在其面積的10倍以上，所以很難用多種方法評(píng)價(jià)本次計(jì)算成果的合理性，但本次兩種方法計(jì)算的李黃溝洪峰模數(shù)(即洪峰流量與控制面積的比值)與鄰近定點(diǎn)洪水調(diào)查溝道同頻率洪水洪峰模數(shù)基本相近，說(shuō)明本次計(jì)算成果基本合理。

將上述兩種方法計(jì)算成果匯總，見表2。

從表2可以看出，兩種方法計(jì)算成果基本一致，其相對(duì)誤差絕對(duì)值不超過(guò)3%?？紤]到李黃溝的流域面積特別小，應(yīng)該說(shuō)蘭州市洪水經(jīng)驗(yàn)公式更能反映該流域的實(shí)際情況，且計(jì)算過(guò)程中采用的參數(shù)系根據(jù)鄰近溝道定點(diǎn)洪水調(diào)查系列資料確定，因此，應(yīng)該說(shuō)用蘭州市洪水經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的設(shè)計(jì)洪峰流量46.1 m3/s較推理公式要更為準(zhǔn)確。

表2　李黃溝100 a一遇洪峰流量計(jì)算成果表

4結(jié)語(yǔ)

用蘭州洪水經(jīng)驗(yàn)公式和推理公式分別計(jì)算同一典型小流域的設(shè)計(jì)洪水，計(jì)算成果相近，誤差很小，蘭州洪水經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算成果精度高于推理公式。

作為地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式，蘭州洪水經(jīng)驗(yàn)公式還具有方程式簡(jiǎn)單易記、計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)。

因此，在山洪災(zāi)害治理等項(xiàng)目建設(shè)中，完全可以用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，這樣既可減輕設(shè)計(jì)人員的工作量，提高工作效率，又能使設(shè)計(jì)方案更符合當(dāng)?shù)貙?shí)際?？蒲小⒃O(shè)計(jì)等部門應(yīng)在日常工作中注意搜集、整理、開發(fā)、推廣地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式。

參考文獻(xiàn)

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[4]水利部．水文調(diào)查規(guī)范(SL196—97)．北京：中國(guó)水利水電出版社.1997.5.

[收稿日期]2015-10-28

[作者簡(jiǎn)介]丁成(1977-)，男，甘肅甘谷人，工程師，主要從事水文水資源勘測(cè)研究工作。

[中圖分類號(hào)]TV122+.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)01-0119-01