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        無資料地區(qū)特小流域設(shè)計洪水計算方法分析

        2017-11-23 04:58:06晶,薛
        黑龍江水利科技 2017年10期
        關(guān)鍵詞:匯流洪峰流量計算方法

        綦 晶,薛 蓮

        (1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,長春 130021;2.呼倫貝爾市水資源管理站,呼倫貝爾 021000)

        無資料地區(qū)特小流域設(shè)計洪水計算方法分析

        綦 晶1,薛 蓮2

        (1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,長春 130021;2.呼倫貝爾市水資源管理站,呼倫貝爾 021000)

        針對特小流域水文資料、設(shè)計洪水推算難的問題,研究計算簡便、計算精度較高的洪水計算方法,對指導(dǎo)特小流域洪水設(shè)計具有重要意義。文章結(jié)合現(xiàn)階段特小流域設(shè)計洪水常用的幾種計算方法,分析了不同計算方法的特點(diǎn)及其適用性,并以南溝子流域設(shè)計洪水推算為例,對兩種常見的特小流域洪水計算方法進(jìn)行橫向比較。

        無資料地區(qū);特小流域;設(shè)計洪水;計算方法

        0 前 言

        我國具有較為豐富的水資源,其中流域面積在100km2以下的河流更是分布廣泛。小河流之上修建小型水庫、灌溉工程等對地區(qū)農(nóng)業(yè)及防洪都具有重要意義,而水利建筑物的設(shè)計需要依據(jù)小流域某種頻率的設(shè)計洪水[1-3]。特小流域與其他類型流域相比,除集水面積小之外,在暴雨洪水產(chǎn)流、匯流方面也具有獨(dú)特的特點(diǎn)。對于特小流域洪水設(shè)計計算,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究,總結(jié)了很多理論公式和計算方法,文章在分析特小流域不同洪水計算方法適用性和優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上,結(jié)合南溝子流域設(shè)計洪水計算實(shí)例,探討適合本地區(qū)的特小流域設(shè)計洪水計算方法。

        1 特小流域設(shè)計洪水計算方法分析

        流域設(shè)計洪水計算由來已久,并且在運(yùn)用過程中不斷進(jìn)行充實(shí)和完善,計算精確度也逐步得到提升。20世紀(jì)80-90年代,小流域水利工程設(shè)計洪水計算主要采用的方法有歷史恒基估算法、水文比擬法和諾模圖表推求法等,這幾種方法都是在水文資料短缺的情況下,運(yùn)用簡單的估算方法對設(shè)計洪水進(jìn)行推求,不確定因素太多,計算精度較低[4]。近年來計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步,目前,小流域設(shè)計洪水計算采用的設(shè)計方法有推理公式法、一院兩所法、瞬時單位線法等。單位線法適用于流域集水面積在200-1000km2、洪水資料缺失的情況,對于特小流域設(shè)計洪水計算一般不采用。下面對2種常用的特小流域計算方法進(jìn)行簡要介紹。

        1)推理公式法。該方法使用之前需要把計算流域的產(chǎn)流、匯流條件都均化和概化,再將水流運(yùn)動方程和連續(xù)方程聯(lián)立求解,推導(dǎo)計算得到計算流域出口斷面洪峰流量公式。在確定穩(wěn)定入滲率fc之后,按照一定標(biāo)準(zhǔn)的入滲率將凈雨劃分為兩部分,即地表凈雨和地下凈雨,在根據(jù)所計算流域特征參數(shù)推求洪水參數(shù)m。繪制洪峰流量與流域匯流時間、洪峰流量與時間兩種關(guān)系曲線,得到地表洪峰流量。根據(jù)計算得到的地表洪峰流量求地下洪峰流量,根據(jù)等腰三角形分配原則,求得地下洪峰流量,兩者相加就是所求設(shè)計洪峰流量。

        2)一院兩所法。一院兩所法可以用于集水面積小于10km2以下的特小流域。該方法最大特點(diǎn)在于計算過程中取代了矩形概化線性分配,并用最大同時匯流面積非線性分配進(jìn)行代替,這樣可以使計算過程與洪峰形成規(guī)律更加吻合。同時計算中考慮坡面流忙流因素、變動的洪峰徑流系數(shù)、斷面擴(kuò)散系數(shù)等因素,使得一院兩所法更適用于特定流域的設(shè)計洪水推算[5-6]。

        2 基本情況

        2.1 流域概況

        多金河地處嫩江縣西南部的臨江鄉(xiāng)境內(nèi),為嫩江右岸一級支流,發(fā)源于臨江鄉(xiāng)東南部的111國道西側(cè),由東至西橫穿臨江鄉(xiāng),最后在多金村南側(cè)注入嫩江。南溝子是多金河右岸的一條支流,發(fā)源于臨江鄉(xiāng)東南方,先后流經(jīng)臨江鄉(xiāng)、新立屯,在多金村附近匯入多金河。南溝子河道總長15.86km,河道平均比降4.72‰。

        2.2 氣象

        南溝子流域?qū)僦袦貛Ъ撅L(fēng)氣候區(qū),冬季寒冷干燥,歷時長;春季多風(fēng),蒸發(fā)量大、濕度小;夏季溫濕多雨;秋季降溫急驟,歷時短。年內(nèi)及年際氣溫變化較大。據(jù)嫩江氣象站資料統(tǒng)計,本區(qū)多年平均氣溫-0.5℃,極端最高氣溫38.1℃,極端最低氣溫-47.3℃。多年平均降水量487mm,降水年內(nèi)分配極不均勻,降水量主要集中在6-9月,占年降水量的80%以上,其中7-8月降水量占年降水量的50%以上,冬季降水量很少,僅占年降水量的5%以下。該地區(qū)多年平均水面蒸發(fā)量663mm,受日照、風(fēng)、植被、氣溫等因素的影響,蒸發(fā)量年內(nèi)分配極不均勻,每年的4-6月由于日照增強(qiáng),升溫快,風(fēng)速大,濕度小,蒸發(fā)量大,占全年蒸發(fā)量的50%以上。南溝子流域處于山區(qū)向平原過渡的丘陵地帶,春秋季節(jié)風(fēng)沙大,地面風(fēng)向以NE-NW為主。

        2.3 洪水

        南溝子流域沒有設(shè)立水文測站,屬無資料地區(qū)。本次設(shè)計洪水采用一院兩所法計算50a一遇設(shè)計洪水??刂茢嗝嫖挥谀蠝献又杏?,新立屯西南側(cè),斷面以上河道長度為7.72km,河道平均坡度7.06‰,匯水面積20.6km2。

        3 特小流域設(shè)計洪水計算方法應(yīng)用及比較

        3.1 不同設(shè)計洪水計算方法應(yīng)用

        1)一院兩所法是鐵道部第一設(shè)計院、中國科學(xué)院地理研究所和鐵道部科學(xué)研究院西南研究所共同提出的小面積洪水計算方法,其計算公式為:

        Qp= [(k1(1-k2)P)/(XP1)n1](1/(1- n1y))

        (1)

        式中:Qp為洪峰流量,m3/s;k1為產(chǎn)流因子;k2為損失因子;X為山坡和主河槽綜合匯流因子;P1為形成洪峰流量同時匯水的時間系數(shù);P為形成洪峰流量的同時匯流面積系數(shù);n為隨暴雨衰減指數(shù)n而變的指數(shù);Y為反映流域匯流特征的指數(shù)。

        選取某一控制斷面,計算參數(shù)取值如表1所示。經(jīng)計算控制斷面處設(shè)計洪水計算成果為131 m3/s。

        表1 控制斷面設(shè)計洪水計算參數(shù)表

        2)推理公式法計算公式如下:

        (2)

        (3)

        式中:F為計算流域面積;τ為匯流時間;m為匯流參數(shù);L為主干流長度;Ht為相應(yīng)t時段的最大凈雨;J為河道干流比降。

        經(jīng)復(fù)核推求得到,南溝子流域P=2%設(shè)計洪峰流量為123m3/s。

        3.2 不同設(shè)計洪水計算方法比較分析

        本次設(shè)計洪峰計算采用推理公式法和一院兩所法2種方式,計算得到的南溝子流域洪水參數(shù)結(jié)果較為接近,P=2%設(shè)計洪水相差6.0%。歷史洪水法與查找圖表法由于存在較大的人為誤差,文章對其不予比較討論。通過推理公式法與一院兩所法相互復(fù)核,通過確定的入滲率劃分不同時段地表和地下凈雨,這種計算方法計算精確度較高,且考慮因素較為全面,因此結(jié)果可信度高。特別是針對南溝子流域的一院兩所法計算中將流域下墊面參數(shù)進(jìn)行實(shí)際考察認(rèn)證,據(jù)此推算確定洪水參數(shù)m,能夠較為真實(shí)地反映計算流域下墊面情況[7-8]。雖然在計算過程中也將產(chǎn)流、匯流條件進(jìn)行了適當(dāng)?shù)木c概化,但在此基礎(chǔ)上通過結(jié)果分析與理念洪水調(diào)查復(fù)核,對計算結(jié)果影響較小,計算方法可行,成果基本可靠。

        4 結(jié) 語

        1)特小流域洪水水流存在產(chǎn)流和匯流情況,且受到暴雨時空分布和流域下墊面情況的制約,下墊面會對流域(特別是坡面)調(diào)蓄能力和水源補(bǔ)給情況造成影響,最終會在在洪水參數(shù)m反映。因此,特小流域設(shè)計洪水推算的關(guān)鍵在于確定洪水參數(shù),一院兩所法根據(jù)大量的洪水調(diào)查為依據(jù),具有不同類型洪水參數(shù)的計算公式,適合流域面積在30km2以下工程中應(yīng)用,尤其是面積小于10km2的特小流域設(shè)計洪水計算中。

        2)在水文資料短缺或沒有水文資料的條件下計算設(shè)計洪水,要求既能保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確度,又能確保技術(shù)人員能快速掌握計算方法,可通過利用推算公式法計算原理,按照一院兩所法推求匯流參數(shù)m,再計算得到特小流域的設(shè)計洪峰流量。

        [1]石煒,徐永波,陳娟,等.華東地區(qū)小流域設(shè)計洪水計算方法探討[J].水利規(guī)劃與設(shè)計,2015(12):29-31.

        [2]戴榮,王正發(fā).資料匱乏地區(qū)中小流域設(shè)計洪水計算方法的研究[J].西北水電,2012(02):1-5.

        [3]盧祖貴.淺析華東地區(qū)特小流域設(shè)計洪水計算方法[J].水電站設(shè)計,2011(01):84-86.

        [4]王克平,許清香,馮民權(quán).無資料地區(qū)小流域設(shè)計洪水計算方法研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2008(07):56-59.

        [5]董秀穎,劉金清,葉莉莉.特小流域洪水計算概論[J].水文,2007(05):46-49.

        [6]陳少平.漢中地區(qū)特小流域設(shè)計洪水計算方法的探討[J].西北水力發(fā)電,2006(S1):87-89.

        [7]李青山,王好.基于無資料地區(qū)推求小流域設(shè)計洪水的實(shí)例剖析[J].黑龍江水利科技,2012(01):57-59.

        [8]王好,管延海.無資料地區(qū)推求小流域設(shè)計洪水的探討[J].吉林水利,2011(11):37-40.

        1007-7596(2017)10-0041-02

        TV122.3

        B

        2017-09-18

        綦晶(1983-),女,遼寧鞍山人,工程師,研究方向?yàn)楣こ趟模谎ι?1983-),女,河南沁陽人,高級工程師,研究方向?yàn)樗こ毯退Y源管理。

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