王鑫平

（甘肅省慶陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局，甘肅慶陽(yáng)745000）

1 流域概況

柔遠(yuǎn)川發(fā)源于華池縣北部橋河鄉(xiāng)打扮村，流經(jīng)橋河、柔遠(yuǎn)、悅樂(lè)等鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），于悅樂(lè)鎮(zhèn)上堡子匯入柔遠(yuǎn)河（又名馬蓮河?xùn)|川）。干流長(zhǎng)49 km，主河道比降6.6‰，流域面積592 km2。華池縣流域水系及水文站分布見圖1。

圖1 華池縣水系圖

柔遠(yuǎn)川流域位于華池縣境內(nèi)，根據(jù)華池縣氣象站1963—2018年氣象觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，多年平均氣溫8.1℃，年平均最高9.3℃（1998年），最低6.1℃（1967年）；多年平均降水量498.7 mm；多年平均蒸發(fā)量963.0 mm。

悅樂(lè)水文站位于華池縣悅樂(lè)鎮(zhèn)張灣村的東川上，建于1958年，控制面積528 km2，賈橋水文站位于慶城縣境內(nèi)，建于1956年，控制面積2 991 km2，沿用資料至2018年。由于河道外引水量的不斷增加，水文站實(shí)測(cè)徑流已不能代表天然情況，實(shí)際調(diào)查各水文站以上區(qū)間工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量，按照徑流還原的方法補(bǔ)助，將實(shí)測(cè)徑流系列還原為天然徑流系列，使其徑流系列具有可靠性、一致性和代表性。

2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

2.1 控制斷面布設(shè)

控制斷面的布設(shè)以本次河湖管理范圍劃定起訖斷面為基礎(chǔ)，考慮干流河口、主要支流匯合口、攔河建筑等因素布設(shè)，力求準(zhǔn)確控制干流各斷面洪水。控制斷面布設(shè)情況見表1。

表1 柔遠(yuǎn)河控制斷面布設(shè)一欄表

2.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

根據(jù)流域的資料條件，柔遠(yuǎn)川水域岸線劃定各控制斷面河段，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用水文比擬法、設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水，并根據(jù)流域特征、暴雨洪水特性及歷史洪水調(diào)查資料對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，確定計(jì)算方法后對(duì)本次各河流控制斷面設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 水文比擬法 水文比擬法適用于面積差比小于20%，面積差小于1 000 km2的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。水文比擬法計(jì)算公式如下：

式中，Q1、F1為計(jì)算斷面洪峰流量（m3/s）和集水面積（km2）；Q2、F2為水文站斷面洪峰流量（m3/s）和集水面積（km2）；n為面積指數(shù)。

面積指數(shù)根據(jù)當(dāng)?shù)刈畲蠛榉辶髁棵娣e關(guān)系分析得到，馬蓮河?xùn)|川干支流及葫蘆河流域均有1977年大洪水調(diào)查成果，將調(diào)查洪峰流量及集水面積點(diǎn)繪在雙對(duì)數(shù)圖上，并進(jìn)行相關(guān)分析，推求出東川流域洪峰—面積指數(shù)n為0.58。

2.2.2 由暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

2.2.2.1 設(shè)計(jì)暴雨。依據(jù)《甘肅省暴雨特性研究》中不同歷時(shí)暴雨參數(shù)等值線圖，查年1 h、3 h、6 h、24 h點(diǎn)雨量均值及變差系數(shù)Cv等值線圖，得1 h、3 h、6 h、24 h點(diǎn)雨量均值及變差系數(shù)Cv，各時(shí)段統(tǒng)一采用Cs＝3.5 Cv。計(jì)算P-Ⅲ型曲線頻率5%、10%、50%的模比系數(shù)Kp值，再乘以點(diǎn)雨量均值，求得1 h、3 h、6 h、24 h設(shè)計(jì)頻率點(diǎn)雨量，然后根據(jù)不同計(jì)算分區(qū)、面積、重現(xiàn)期等選擇點(diǎn)面折減系數(shù)、流域形狀折減系數(shù)，求得不同保證率的設(shè)計(jì)面雨量。

2.2.2.2 產(chǎn)流計(jì)算。采用分段扣損和產(chǎn)流期平均入滲率的方法進(jìn)行計(jì)算。面雨量采用綜合概化雨型進(jìn)行分配，當(dāng)流域面積F＜100 km2時(shí)，選用主雨峰為1 h的綜合雨型進(jìn)行分配，當(dāng)100≤F≤300 km2時(shí)，選用主雨峰為3 h的綜合雨型分配，300＜F≤1 000 km2時(shí)，選用主雨峰為6 h的綜合雨型分配，根據(jù)計(jì)算斷面所在分區(qū)選取相應(yīng)的綜合概化雨型進(jìn)行面雨量時(shí)程分配。

2.2.2.3 匯流計(jì)算。當(dāng)30≤F≤300 km2時(shí)，匯流用推理公式法計(jì)算；當(dāng)100≤F≤1 000 km2時(shí)，匯流用瞬時(shí)單位線法計(jì)算。

2.2.3 馬蓮河流域洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式 馬蓮河流域經(jīng)驗(yàn)公式主要針對(duì)馬蓮河流域產(chǎn)匯流特點(diǎn)，利用洪水調(diào)查資料，配合水文站基本資料，逐步回歸影響參數(shù)，綜合考慮了流域長(zhǎng)度、匯流面積，6 h最大降雨等多種因素影響，建立經(jīng)驗(yàn)公式，并通過(guò)水文站實(shí)測(cè)資料的驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果比較接近實(shí)際。其計(jì)算公式如下：

黃土高原溝壑區(qū)：

適用于馬蓮河西川、慶陽(yáng)以下干流。

黃土林區(qū)、黃土高原過(guò)渡帶：

適用于慶陽(yáng)東川、合水川、固城川、湘樂(lè)川以南。

Qmp=KpQm

式中，Qm為年最大洪峰流量均值（m3/s） ；Qmp為設(shè)計(jì)洪峰流量（m3/s）；Kp為某種頻率的模比系數(shù)；F為匯水面積（km2）；H6為年最大6 h降雨量（mm）；f為流域形狀系數(shù)，f=F/L2；L為河流長(zhǎng)度（km）。

關(guān)于Cv的確定，建立的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

馬蓮河黃土溝壑區(qū)：

馬蓮河黃土林區(qū)、黃土過(guò)渡帶：

2.2.4 計(jì)算結(jié)果合理性分析 通過(guò)對(duì)柔遠(yuǎn)川各斷面不同計(jì)算方法的成果分析，水文比擬法是根據(jù)已有水文站的資料，計(jì)算成果與調(diào)查斷面歷史洪水分析結(jié)果接近，因此第6～9斷面采用水文比擬法計(jì)算結(jié)果；王立峰公式主要利用馬蓮河水文站實(shí)測(cè)洪水資料及各調(diào)查斷面歷史洪水調(diào)查成果推求，計(jì)算結(jié)果較大；設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水，在理論方面比較嚴(yán)謹(jǐn)，過(guò)程中又采用了本流域的特征值、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和暴雨資料，計(jì)算成果既代表了區(qū)域洪水的共性，又突出了計(jì)算流域洪水的特性，成果精度相對(duì)較高，第1～5斷面采用設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算成果。

3 水面線推算

3.1 斷面測(cè)量

根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，對(duì)柔遠(yuǎn)川陽(yáng)莊至大林溝河段實(shí)測(cè)了水文縱橫斷面，起始樁號(hào)K0+000.00，位于華池縣湫溝匯入口處，終止斷面樁號(hào)K57+279.564，位于柔遠(yuǎn)川支溝大林溝匯入口，共實(shí)測(cè)斷面94個(gè)，測(cè)量河長(zhǎng)57.28 km，斷面平均間距616 m。部分控制斷面實(shí)測(cè)大斷面成果見圖2

圖2 10+551.853控制斷面大斷面

3.2 流態(tài)判別

通過(guò)計(jì)算弗勞德數(shù)（Fr）對(duì)河道內(nèi)水流流態(tài)進(jìn)行判別，計(jì)算公式如下：

當(dāng)Fr＜1時(shí)，為緩流；當(dāng)Fr=1時(shí)，為臨界流；當(dāng)Fr＞1時(shí)，為急流。

通過(guò)計(jì)算本次各計(jì)算斷面弗勞德數(shù)小于1，河流流態(tài)屬緩流，水面線采取從下游向上游的推算方法。

3.3 糙率的確定

通過(guò)東川賈橋水文站及柔遠(yuǎn)川悅樂(lè)水文站實(shí)測(cè)流量資料分析，賈橋水文站斷面糙率為0.033～0.045，平均0.04，悅樂(lè)水文站斷面糙率為0.019～0.033，平均0.03。

本次根據(jù)天然河道實(shí)測(cè)資料，并結(jié)合河道河床組成及床面特征、河流平面形態(tài)及水流流態(tài)和岸壁特征等河道特征，參考《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》（第二版）表8-1-4，確定柔遠(yuǎn)川綜合糙率系數(shù)取值0.035。

3.4 水面線計(jì)算

水面線計(jì)算采用天然河道恒定非均勻能量方程（伯努利方程），計(jì)算程序采用美國(guó)工程兵團(tuán)河流分析系統(tǒng)（HEC-RAS），其一維流水力學(xué)方程式：

式中，Z為斷面水位（m）；V為斷面流速（m/s）；α值取決于斷面流速分布的不均勻程度，一般情況下α取值為1.05～1.1；下標(biāo)1和2分別表示上斷面和下斷面；hf為沿程水頭損失，按下式計(jì)算為局部水頭損失，按下式計(jì)算，式中：ξ為河段平均局部阻系數(shù)。對(duì)于收縮河段，其局部水頭損失可以忽略不計(jì)，即ξ＝0；對(duì)于擴(kuò)散河段，水流常與岸壁分離而形成回流，產(chǎn)生局部水頭損失。

由此，河道穩(wěn)定緩變流的能量方程式可寫為：

式中，ΔL為兩斷面間距，m；Q為河段流量，m3/s；Kˉ為斷面平均流量模數(shù)。

水面線計(jì)算由下游向上推求，已知Z2便可由上式試算求得Z1。Bi為水面寬，m。

根據(jù)河道地理位置及地形地貌特征，按照恒定非均勻流能量方程，推求得柔遠(yuǎn)川10年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量下各河段水面高程。部分控制斷面計(jì)算結(jié)果見表2。水面線折線圖及河道縱斷面見圖3。

圖3 柔遠(yuǎn)川10年一遇水面線計(jì)算成果圖

表2 柔遠(yuǎn)川10年一遇洪水水面線計(jì)算成果

4 結(jié)語(yǔ)

為全面落實(shí)河長(zhǎng)制重點(diǎn)任務(wù)，建立范圍清晰、權(quán)屬明晰、責(zé)任落實(shí)的河道管理與保護(hù)責(zé)任體系，推動(dòng)河長(zhǎng)制加快從“有名”向“有實(shí)”轉(zhuǎn)變，按照中央《關(guān)于全面推行河長(zhǎng)制的意見的通知》和《甘肅省水利廳關(guān)于開展河道管理范圍劃定工作的通知》（甘水河湖發(fā)〔2019〕26號(hào)），采用水文比擬法、暴雨推求設(shè)計(jì)洪水、馬蓮河流域洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式等3種方法推求馬蓮河一級(jí)支流柔遠(yuǎn)川的設(shè)計(jì)洪水水面線，以得出柔遠(yuǎn)川鄉(xiāng)村河段的行洪能力（10年一遇洪水時(shí)），支撐柔遠(yuǎn)川控制線、管理范圍線、保護(hù)范圍線等劃定，為加強(qiáng)河道管理提供技術(shù)支撐。