張 紅

(西寧市湟中區(qū)水利水電規(guī)劃設計研究所，青海 湟中 811600)

1 流域概況

本文就青海省湟中縣田家寨鎮(zhèn)尕院溝防洪治理工程進行河道設計斷面水文分析。

尕院溝發(fā)源于湟中縣南部的拉脊山脈“水牙子峽”，河源海拔3500m，尕院溝總長5.6km，河道平均比降80‰，尕院溝末端匯入傻爾加河，本次治理斷面以上流域面積為15.5km2，屬山溪性河流，常年流水。流域內土質較好，山坡穩(wěn)定，植被覆蓋良好，雨水充足，泥沙含量較少，水流清澈。流域水系圖見下圖。

2 氣象

項目區(qū)屬內陸高原大陸性氣候，其主要氣候特征是：冬季漫長干燥，夏季短促溫和，秋季涼爽多雨，春季干旱多風，冰結期長，農(nóng)耕短促，光照充足，日照時間長，太陽輻射強，垂直氣候帶變化大。

湟中縣氣象站有多年觀測資料，且觀測項目較全，精度較高，可作為項目依據(jù)站。根據(jù)湟中縣氣象站氣象要素統(tǒng)計結果：項目區(qū)年平均氣溫3.8℃，最熱月(7月)平均氣溫11-17℃，極端最高氣溫29.4℃，極端最低氣溫-31.7℃；平均風速2.1m/s，最大風速20m/s，年降水量523mm，一日最大降水量52.3mm；全年日照時數(shù)2588.3h；日照百分率為58%；年平均相對濕度64%；年蒸發(fā)量833.3mm(E601蒸發(fā)皿)。

3 水文

尕院溝屬無資料地區(qū)，其干流的小南川流域有王家莊站，該站集水面積370km2，控制河長40.8km，河道平均比降21.7‰，距河口2.1km。觀測項目有水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)、冰情、岸溫、比降等。王家莊水文站有1959-2010年的實測水文資料，該水文資料已經(jīng)過青海省水文水資源勘測局的整編和審查，可作為水文分析計算的依據(jù)。水文站資料情況見表1。

表1 水文站資料情況表

4 洪水

4.1 暴雨洪水特性

湟水流域南有拉脊山，北有大坂山，西有日月山，地勢西高東低。拉脊山東北側和大通山南側，由于位置偏北，西風帶系統(tǒng)過境頻繁，在盛夏季節(jié)受西南氣流系統(tǒng)影響，水汽較為充沛。同時由于近地層氣溫較高，常使大氣地層處于不穩(wěn)定狀態(tài)，促使熱力對流的形成，而且地形利于抬升和對鋒面的阻攔作用，以及河西走廊冷空氣沿河谷倒灌等因素的影響，使這拉脊山東北側和大通山南側地區(qū)成為湟水流域暴雨頻次最多，強度最大的地區(qū)。

設計流域的暴雨一般都發(fā)生在7月-9月，其中7月中旬到8月底更為集中，較大暴雨大部分是傍晚或夜間發(fā)生，暴雨歷時較短，一般只有幾小時。暴雨的空間分布很不均勻，暴雨雨區(qū)面積小，強度較大。

設計流域的洪水主要由暴雨形成，暴雨和洪水在時間上具有很好的相應性。其較大洪水都發(fā)生在夏汛，由暴雨所形成，發(fā)生時間大多集中在7月-9月。設計流域洪水的地區(qū)分布很不均勻。

4.2 設計洪峰流量計算

由于治理斷面所在區(qū)域沒有洪水資料，也沒有暴雨資料。根據(jù)《水利水電工程洪水計算規(guī)范》(SL44-2006)對無資料地區(qū)設計洪水的計算要求，本次計算主要采用地區(qū)經(jīng)驗公式法、洪峰模數(shù)法、地區(qū)綜合法和推理公式法，經(jīng)綜合分析后確定治理斷面處的設計洪水。

4.2.1 經(jīng)驗公式法

治理斷面所在區(qū)域屬于湟水南岸支流，流域屬于Ⅲ5水文分區(qū)(湟水谷地腦山帶強侵蝕半干旱區(qū))，計算治理斷面處不同頻率的設計洪峰流量。計算結果見表2。

表2 經(jīng)驗公式法計算設計洪峰流量成果表 (單位：洪峰流量m3/s)

4.2.2 洪峰流量模數(shù)等值線法

利用《青海省水文手冊》多年平均洪峰流量模數(shù)等值線圖、洪峰流量 Cv 等值線圖和Cs/Cv 分區(qū)圖，查得流域中心多年平均洪峰流量模數(shù)M=0.80，Cv=1.10，Cs/Cv為3.0。計算設計洪峰流量的公式：

式中：Qm——不同頻率設計洪峰流量(m3/s)；

KP——為設計頻率P相應的模比系數(shù)；

M——多年平均年最大洪峰流量模數(shù)(m3/s·km2)；

F——流域面積(km2)。

不同頻率的設計洪峰流量計算成果見表3。

表3 洪峰流量模數(shù)推求設計洪峰流量計算表

4.2.3 地區(qū)綜合法

利用地區(qū)綜合法計算不同頻率設計洪峰流量，計算公式：

Q設=(F設/F參)nQ參

式中：Q設——設計斷面的洪峰流量(m3/s)；

Q參——參證水文站的洪峰流量(m3/s)；

F設——設計斷面的面積(km2)；

F參——參證水文站的面積(km2)。

2002年7月，黃委會勘測規(guī)劃設計研究院在進行青海省盤道水庫初步設計時，曾對湟水流域支流的設計洪水進行過詳細的分析，湟水流域南岸支流盤道溝的設計洪水成果最終采用地區(qū)綜合法計算的成果，其中面積綜合指數(shù)采用0.60，其設計洪水成果也是比較合理的。本次計算中直接采用其面積綜合指數(shù)。

尕院溝位于小南川王家莊站上游，王家莊站實測資料系列較長，資料代表性好。因此選用王家莊站作為設計洪水計算的參證站。王家莊站集水面積370km2，控制河長40.8km，河道平均比降21.7‰，設計洪水成果見表4，以王家莊站設計洪水成果推算尕院溝斷面設計洪峰流量，計算結果見表5。

表4 王家莊站設計洪水成果表 (單位：洪峰流量m3/s)

表5 地區(qū)綜合法設計洪水成果表 (單位：洪峰流量m3/s)

4.2.4 推理公式法

該流域暴雨主要發(fā)生在6-9月，尤以7-8月最多，該地區(qū)多為突發(fā)性暴雨形成的局部洪水，暴雨歷時短，籠罩面積小，強度大，匯流時間短，暴雨形成的洪水破壞力大，其洪水特點為暴漲暴落，峰型尖瘦，歷時短。因此采用推理公式法計算設計洪水可較好的反映當?shù)氐谋┯旰樗匦浴?/p>

(1)設計暴雨

①點設計暴雨量

尕院溝沒有暴雨資料，因此從《青海省水文手冊》年最大10min、30min、1h、6h和24h東部地區(qū)雨量均值和Cv值等值線圖放大圖中查得流域中心的暴雨特征參數(shù)，根據(jù)流域特征和該地區(qū)的暴雨特性，按CS=3.5CV，計算得不同頻率不同時段的設計點雨量成果見表6。

②計算設計面雨量

對于防洪斷面集水面積小于30km2的溝道，其面雨量就等于點雨量，無須進行點面折算，其點面折算系數(shù)為1.0。尕院溝河道治理工程斷面以上集水面積僅13.38km2，因此不進行折算，其點雨量就等于面雨量的初值。根據(jù)第⑸欄各歷時設計面雨量的初值，采用多元回歸求解參數(shù)：分別填入第⑹、⑺、⑻欄，利用暴雨公式，計算設計面雨量，填入第⑼欄。

表6 設計面雨量計算

③時程分配

該流域屬于東部地區(qū)湟水流域腦山區(qū)，采用青海省東部地區(qū)設計暴雨時雨型“模板”進行時雨型分配，分配結果見表7。

表7 一小時主雨峰對齊(P=5%)時程分配表

續(xù)表

④由已知的暴雨公式的三個參數(shù)， 計算主雨日的主雨歷時為4.8h，計算得主雨面雨量為42.6mm。

(2)設計洪水

流域產(chǎn)流計算包括設計洪水凈雨深計算和凈雨過程計算兩部分。本次產(chǎn)流計算采用雙曲正切模型，雙曲正切模型引入了主雨面雨量、主雨歷時、最大可能損失等反應干旱半干旱區(qū)雨強特征與損失變化的量，且概念明確、結構簡單、參數(shù)少。雙曲正切模型的優(yōu)點是簡單易行，缺陷是不能體現(xiàn)降雨的時程分布。

雙曲正切模型參數(shù)有三個，分別為充分風干流域的吸水率Sr、飽和流域土壤的導水率Ks、暴雨來臨前流域包氣帶的持水度B0。模型輸入為設計頻率下的主雨面雨量及主雨歷時，輸出為該設計頻率下場次洪水的凈雨深。雙曲正切模型公式如下：

Sr=89.20ζ2-62.32ζ+27.15

Ks=15.62ζ2-6.34ζ+1.69

=1.30η+0.81

式中，ζ表示林灌的百分比(小數(shù))，η表示砂巖的百分比(小數(shù))。

①根據(jù)工程所在流域的下墊面條件，該流域屬于Ⅲ5水文分區(qū)(湟水谷地腦山帶強侵蝕半干旱區(qū))，根據(jù)手冊公式(7.3.3-7.3.4)、青海省區(qū)域化參數(shù)Sr、Ks一覽表及青東南山地半干旱半濕潤區(qū)土壤持水度值查算表對流域包氣帶的吸收率Sr、流域包氣帶的導水率Ks及主雨日的流域持水度B0進行計算，從而可求得設計頻率下場次洪水的凈雨深Rp。

②計算產(chǎn)流歷時。將設計暴雨三參數(shù)Sp、λ、ns和Rp帶入下式中求解產(chǎn)流歷時tc。

在普通坐標系中繪制f(t)-t關系曲線，在f(t)軸上截取OR=Rp,過R點做水平線，交f(t)-t曲線于P點，P點的橫坐標即為產(chǎn)流歷時tc。

④把匯流參數(shù)帶入公式

將S1%、λ、ns等參數(shù)帶入公式

在普通坐標系中繪制關系曲線，兩曲線交點的橫坐標即為相應的匯流歷時，縱坐標為最大洪峰流量。

經(jīng)計算，尕院溝防洪工程斷面20年一遇洪水流量為14.2m3/s。推理公式法計算表見表8。

表8 推理公式法計算表

4.2.5 設計洪水成果比較分析

尕院溝防洪工程斷面不同頻率的設計洪峰流量計算采用了經(jīng)驗公式法、洪峰流量模數(shù)法、地區(qū)綜合法和推理公式法。不同方法計算成果比較見表9。

表9 各種方法計算的洪峰流量結果比較

從上表可以看出，四種計算方法結果經(jīng)驗公式法最大，其他三種方法成果基本一致。

①經(jīng)驗公式法選用王家莊、南川河口、八里橋、董家莊水文站多年平均年最大流量與流域面積建立關系，選用站流域面積范圍為370-636km2，而項目區(qū)尕院溝流域面積較小(僅為13.38km2)，兩者面積相差較大。另外由于建立公式時主要考慮年最大流量與流域面積的關系，未考慮地區(qū)降水均勻程度及流域內下墊面等自然地理因素的影響，使用本方法受到一定的局限。

②青海省水文手冊中洪峰流量模數(shù)等值線以調查洪水資料和流域面積在100-5000km2的測站資料進行統(tǒng)計分析和地區(qū)綜合，較適合于中等流域，對面積在100km2以上的流域使用精度較高。

③地區(qū)綜合法采用下游王家莊站實測洪水資料，資料可靠、系列較長、代表性好，但尕院溝防洪工程治理斷面位于流域的上游地區(qū)，且流域面積較小，采用王家莊成果計算時帶來一定的誤差。

④推理公式法是借助設計暴雨推算設計洪水，也是目前國內水利工程在無資料地區(qū)設計洪水計算多采用的方法。推理公式法在計算時充分考慮當?shù)氐谋┯旰樗匦裕茌^真實地反映小溝道的實際情況，一般在小流域的適用性較好。

綜上所述，推薦采用推理公式法設計洪水成果作為尕院溝防洪工程斷面采用的成果，即尕院溝防洪工程斷面20年一遇洪水流量為14.2m3/s。

5 結論

通過以上水文分析，依據(jù)計算所得的洪峰流量成果，根據(jù)行洪寬度，逐一推算每個斷面處洪水位，從而確定防洪堤高度。