成麗婷

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

0 引言

推求設(shè)計洪水的方法很多，結(jié)合山西省產(chǎn)流、匯流特點，暴雨洪水資料條件，人類活動狀況及實踐經(jīng)驗，由山西省水利廳2010年編制的《山西省水文計算手冊》[1]（以下簡稱《山西省手冊》）提供了三種方法，分別為根據(jù)流量資料計算設(shè)計洪水、根據(jù)設(shè)計暴雨計算設(shè)計洪水和水文比擬法推求設(shè)計洪水，依據(jù)涉水工程的規(guī)模、重要性、流域資料條件等，選用不同的方法。第一種方法為有資料地區(qū)的洪水推求方法，后兩種方法為無資料地區(qū)的洪水推求方法。

根據(jù)設(shè)計暴雨計算設(shè)計洪水的方法，從設(shè)計暴雨到流域產(chǎn)流計算再到流域匯流計算，均采用洪水計算模型進(jìn)行計算，見圖1。而在實際工作中，有些地區(qū)雖然無實測流量資料但是具備實測降雨資料，本文旨在研究一種結(jié)合實測降雨資料與洪水計算模型產(chǎn)匯流計算方法來推求設(shè)計洪水的方法，見圖1，并應(yīng)用于西塬湖水庫洪水分析計算中，以期使洪水計算結(jié)果更合理。

圖1 洪水計算流程圖

1 計算方法

結(jié)合實測降雨資料與洪水計算模型產(chǎn)匯流計算方法來推求設(shè)計洪水，具體來講，即通過實測降雨資料分析來替代洪水計算模型的設(shè)計暴雨分析，而后利用洪水計算模型中的產(chǎn)匯流計算方法推求設(shè)計洪水。

1）實測降雨資料分析

收集設(shè)計斷面長系列逐日降水量及逐時段降水量資料。

查閱水文年鑒及相關(guān)資料，分析典型年1日降雨與24 h降雨量倍比關(guān)系。通過長系列逐日降水量資料統(tǒng)計歷年最大1日、最大3日降雨量，并計算求得歷年最大24 h降雨量。對最大1日降雨量、最大24 h降雨量、最大3日降雨量分別進(jìn)行頻率分析，獲得設(shè)計斷面暴雨頻率分析成果。頻率分析采用P-Ⅲ型曲線適線。

選取典型年，利用逐時段降水量資料，分時段統(tǒng)計降水量。

2）產(chǎn)流計算

流域產(chǎn)流計算又包括設(shè)計洪水凈雨深和凈雨過程計算兩部分。根據(jù)1∶25萬產(chǎn)流地類圖確定產(chǎn)流地類。產(chǎn)流計算參數(shù)主要為持水度B0、吸收率Sr和導(dǎo)水率Ks。具體計算方法參見《山西省手冊》7.3節(jié)。

3）匯流計算

根據(jù)1∶25萬匯流地類圖確定匯流地類。采用綜合瞬時單位線、推理公式法兩種方法進(jìn)行計算。綜合瞬時單位線匯流計算參數(shù)主要為匯流參數(shù)C1、C2。推理公式法計算參數(shù)主要為匯流參數(shù)m。具體計算方法參見《山西省手冊》7.3節(jié)。

2 實例應(yīng)用

1）工程概況

西塬湖水庫位于運城市鹽湖區(qū)，屬涑水河流域。水庫總庫容6 632萬m3，工程任務(wù)為緩洪排洪，兼顧水生態(tài)環(huán)境，水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水設(shè)計，100年一遇洪水校核，排洪設(shè)施為排洪泵站。

水庫控制流域面積306.37 km2，包括四部分，其一是西塬湖水庫南部山區(qū)片101.54 km2（共有7條山洪溝），其二是西塬湖水庫周邊農(nóng)田片178.56 km2，其三是運城市主城區(qū)12.27 km2，其四是西塬湖水庫水面面積14 km2。西塬湖水庫除了接納上述四部分面積的設(shè)計洪水之外，還要接納來自運城市的城市污水10萬m3/d，合計1.16 m3/s。本論文主要敘述上述四部分面積設(shè)計洪水的計算。

水庫控制流域范圍內(nèi)無水文測站。本次設(shè)計搜集到運城站1954—2013年系列的暴雨資料，1974年山西省水文總站運城地區(qū)分站編著的《山西省運城地區(qū)水文計算手冊》（以下簡稱《運城手冊》）、《山西省清泉水流量調(diào)查成果》[2]。

2）實測降雨資料分析

（1）設(shè)計暴雨分析

查詢水文年鑒及《運城手冊》，摘錄了1954年、1981年、1983年、1984年4場降雨，對比分析了1日降雨量與24 h降雨量，綜合確定運城站最大24 h降雨量與最大1日降雨量的折算系數(shù)為1.10。

對收集的運城站1954—2013年共60年逐日降水量資料，統(tǒng)計歷年最大1日、最大3日降雨量，并計算求得最大24h降雨量。對最大1日降雨量、最大24h降雨量、最大3日降雨量分別進(jìn)行頻率分析，采用P-Ⅲ型曲線適線。運城站頻率分析成果見表1。

表1 運城站暴雨頻率分析成果表

（2）典型年暴雨分析

由于西塬湖水庫排洪泵站規(guī)模較小，連續(xù)暴雨對工程規(guī)模影響較大，選用典型年暴雨過程進(jìn)行連續(xù)暴雨組合情況下的洪水進(jìn)行分析計算，為合理確定工程規(guī)模提供水文依據(jù)。

選取典型年的原則:①具有代表性；②對工程不利；③暴雨量級與設(shè)計頻率比較接近。根據(jù)以上原則選取了1982年作為典型年，1982年汛期共有4次較大量級的暴雨，場次暴雨間隔時間分別為4天、9天和13天；場（次）降水量分別為75.1mm、259.2mm、41.1mm和45.0mm；每次暴雨的持續(xù)時間分別為2天、6天、3天和4天。詳見表2。

經(jīng)統(tǒng)計，1982年最大3日降雨量為188 mm，自7月31日至8月2日。在7月31日之前，6月份降水74.2 mm，7月份降水159 mm。8月2日之后，8月4日、8月12日-8月13日、8月28日-9月3日分別降雨18.6 mm、40.6 mm、57.1 mm。

1982年最大3日降雨量為188 mm，相當(dāng)于50年一遇最大3日降雨量。1954年-2013年實測降雨系列中無相當(dāng)于100年一遇洪水的典型年，對1982年最大3日降雨量進(jìn)行放大處理，放大倍比為1.07。

表2 西塬湖水庫流域1982年典型暴雨過程表

3）產(chǎn)流計算

《山西省手冊》流域產(chǎn)流計算中的設(shè)計洪水凈雨深計算采用雙曲正切模型，涉及產(chǎn)流計算參數(shù)主要為持水度B0、吸收率Sr和導(dǎo)水率Ks。吸收率Sr和導(dǎo)水率Ks，依據(jù)產(chǎn)流地類取值。B0為流域前期土濕標(biāo)志（流域持水度），考慮到7月31日之前6、7月份降水較多達(dá)到233.2 mm，故計算7月31日之后降雨產(chǎn)流時，B0取 0.9。

整理1982年運城站降水摘錄信息，依據(jù)《山西省手冊》產(chǎn)流計算方法逐時段計算，求得50年一遇、100年一遇最大3日及最大3日之后連續(xù)降雨產(chǎn)生的洪量。

4）匯流計算

匯流計算針對不同的區(qū)域采用不同的方法，山區(qū)片采用綜合瞬時單位線法；農(nóng)田片依照暴雨3日排除計入，城市片依照暴雨1日排除計入，另疊加基流后，計算所得的各場次降雨50年一遇、100年一遇洪水過程線。

5）設(shè)計洪水成果合理性分析

本文還利用2種方法進(jìn)行設(shè)計斷面洪水推求:一是利用《山西省手冊》，所有暴雨參數(shù)從《山西省手冊》附圖、附件查得；二是利用《運城手冊》進(jìn)行計算。將上述2種方法洪水結(jié)果與本次成果進(jìn)行比較，分析成果合理性。

（1）設(shè)計暴雨計算結(jié)果對比

《山西省手冊》設(shè)計暴雨計算是通過等值線查讀獲取定點的各種歷時暴雨均值與變差系數(shù)；《運城手冊》與本次計算設(shè)計暴雨計算是通過實測資料進(jìn)行頻率分析計算求得。最大24 h暴雨均值及Cv取值及各頻率最大24 h暴雨值見表3，表中第2列數(shù)值為查閱《運城手冊》附圖所得。由表3可見不同方法參數(shù)取值及計算結(jié)果相接近，且與《運城手冊》等值線圖結(jié)果一致。表4列出最大24 h暴雨及最大3日不同頻率設(shè)計暴雨結(jié)果對比，不同方法計算結(jié)果基本一致。

表3 最大24 h點暴雨計算結(jié)果對比表

表4 設(shè)計點暴雨計算結(jié)果對比表 單位：萬m3

（2）設(shè)計洪量計算結(jié)果對比

采用《山西省手冊》計算得到的50年一遇設(shè)計洪量為1 630萬m3，100年一遇設(shè)計洪量為2 063萬m3，設(shè)計洪量偏小，且洪水歷時短暫，僅24 h洪量，無最大3日洪量。

考慮到工程安全性，長歷時連續(xù)降雨對工程防洪影響比較大，本次設(shè)計選取了1982年作為典型年進(jìn)行洪水分析，分別利用《運城手冊》與本文計算方法計算。為了進(jìn)一步分析設(shè)計洪水成果的合理性，同時計算求得設(shè)計年徑流與兩種方法計算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見表5。

由表5可知，兩種方法中，《運城手冊》計算結(jié)果偏大，這是因為《運城手冊》產(chǎn)流計算采用的是運城地區(qū)暴雨徑流關(guān)系，暴雨量一定，暴雨時段越長，徑流系數(shù)越小，1982年自7月28日至8月2日共6日降雨259.2 mm，參照24 h徑流系數(shù)進(jìn)行計算，成果偏大。《運城手冊》計算所得自7月28日至8月2日共6日降雨產(chǎn)生的100年一遇洪量為4 670萬m3，50年一遇洪量為4 339萬m3，分別大于100年一遇、50年一遇的設(shè)計年徑流，不符合同頻率的設(shè)計洪量小于設(shè)計年徑流的規(guī)律。

表5 設(shè)計洪量計算結(jié)果對比表

本次計算典型年自7月31日至8月2日共3日降雨產(chǎn)生的100年一遇洪量為3 201萬m3，50年一遇洪量為2 907萬m3，基本符合同頻率的設(shè)計洪量小于設(shè)計年徑流的規(guī)律。雖然僅計算最大3日的洪量，但是在洪量計算時參數(shù)B0取0.9已經(jīng)考慮了前期連續(xù)降雨對產(chǎn)流的影響。

綜上所述，一方面，本次產(chǎn)流計算采用《山西省手冊》中的雙曲正切模型，方法可靠；另一方面，考慮到最大3 d降雨已基本上能夠反映集中降雨對產(chǎn)流的影響，同時又兼顧前期連續(xù)降雨對產(chǎn)流的影響，洪水成果合理。

3 結(jié)論

在洪水計算中，有些地區(qū)無實測流量資料但是具備實測降雨資料，可將實測降雨分析成果與《山西省水文計算手冊》中無資料地區(qū)洪水計算模型中產(chǎn)匯流計算方法相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對典型年連續(xù)降雨產(chǎn)生洪水的分析，從而為合理確定工程規(guī)模提供技術(shù)支撐。