韓衛(wèi)東，李曉紅，劉建勇，李航鋒

(1.寶塔區(qū)農(nóng)村綜合改革服務(wù)中心，陜西 延安 716000；2.天津大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，天津 300350；3.陜西省寶雞峽引渭灌溉中心，陜西 咸陽 712000；4.陜西瀚泰水利水電勘測設(shè)計(jì)有限公司，陜西 西安 710000；5.陜西省水文水資源勘測中心，陜西 西安 710068)

1 流域概況

賀溝口流域?yàn)槎鸥Υㄓ野兑患壷Я?，南川二級支流，延河三級支流，最上游位于延安市寶塔區(qū)萬花鄉(xiāng)樓塔村，流經(jīng)樓塔村、崖窯村、碾莊村，于賀溝口村匯入杜甫川。流域總面積為29.44 km2，河道總長12.9 km，河道平均比降為9.8‰。主要支溝有王家溝，森林溝等支溝，支溝流域面積相對較小。賀溝口流域溝道狹窄，梁峁起伏、溝道密布，溝道發(fā)育多為“V”字型，河床寬度最窄處5 m左右，最寬處不超過50 m，河道彎曲程度較大。

2 流域水文站網(wǎng)布設(shè)及基礎(chǔ)資料

賀溝口流域控制面積較小，流域內(nèi)無實(shí)測水文資料。其附近流域西川河和延河干流分別有棗園水文站和延安水文站。西川河棗園水文站建站于1971年，控制流域面積719 km2，比較完成的長系列水文資料[1]。延安站設(shè)立于1958年7月，位于延安市河莊坪鄉(xiāng)李家坬村，控制流域面積3 208 km2，為國家基本水文站，有1958年至今的實(shí)測水文觀測資料(見表1)。棗園水文站控制面積與延安水文站控制面積相比與賀溝口流域面積相對相差較小，本次以西川河棗園水文站作為參證站[2]，作為本次工程水文計(jì)算的基礎(chǔ)。

表1 延河流域水文站基本資料

3 流域河道設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析

賀溝口流域內(nèi)無實(shí)測水文資料，屬于無資料地區(qū)，本次主要對流域內(nèi)的河道設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法及過程進(jìn)行分析。根據(jù)《陜西省延安地區(qū)實(shí)用水文手冊》、《水土保持工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBT51018-2014)，工程建設(shè)洪水計(jì)算應(yīng)采用多種方法進(jìn)行計(jì)算，對比分析確定設(shè)計(jì)洪水。同時(shí)在洪水推求過程中，考慮工程斷面上游淤地壩的調(diào)蓄作用。賀溝口河道流域出口處控制面積為22.1 km2，主河道長為10.9 km，坡降為9.8‰，本次將上述流域特性數(shù)據(jù)作為河道洪水計(jì)算的依據(jù)[3]。

3.1 暴雨特性

賀溝口流域暴雨發(fā)生日期最早在4月，最遲到10月，7-9月發(fā)生的強(qiáng)度及可能性最大。賀溝口流域暴雨分為兩種類型：一種是連陰雨，其特點(diǎn)是歷時(shí)長，強(qiáng)度均勻，籠罩面積大；另一種是局部短歷時(shí)暴雨，其特點(diǎn)是雨量集中，歷時(shí)短，強(qiáng)度大，降雨不均勻，籠罩面積小。一次暴雨歷時(shí)約24 h左右，其主雨峰約在6 h左右[4]。

賀溝口流域洪水主要是由連陰雨形成的暴雨洪水，由于降雨均勻，歷時(shí)長，籠罩面積大，加之上游植被條件好，洪水緩漲緩落，峰小量大。局部短歷時(shí)暴雨形成的洪水，猛漲陡落，峰高量小，峰型尖瘦。

3.2 水文比擬法推求設(shè)計(jì)洪水

3.2.1 參證站設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算

1)調(diào)查歷史洪水及重現(xiàn)期的確定

依據(jù)陜西省水利廳1984年整編的《陜西省洪水調(diào)查資料》和延安市水利水保局編制的《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊》，西川河曾在裴莊河段(控制流域面積769 km2)調(diào)查到1933年、1953年、1959年三場歷史洪水，最大洪峰流量分別為2 350 m3/s(較可靠)、1 060 m3/s(可靠)、1 660 m3/s(較可靠)，按面積比將其移用到棗園站斷面(控制流域面積719 km2)，洪峰流量分別為2 250 m3/s、1 010 m3/s、1 590 m3/s。另外1977年、1989年棗園站分別發(fā)生了近幾十年來最大的洪水，實(shí)測洪峰流量分別為1 510 m3/s 、2 460 m3/s[5]。歷史洪水調(diào)查成果詳見表2。

表2 工程附近河段歷史洪水調(diào)查成果

2)實(shí)測洪水系列

棗園水文站有1971-2014年共44年的連續(xù)實(shí)測洪水系列， 從收集的資料看，1989年7月16日、1977年7月6日兩次洪水分別為實(shí)測最大洪水和次大洪水，洪峰流量分別為2 460 m3/s、1 510 m3/s。

3)系列代表性分析

從棗園站自建站以來，收集的1971-2014年共44 a的洪水資料和后期通過洪水調(diào)查掌握的1933年歷史洪水資料，按照規(guī)范都屬于容量有限的樣本。在統(tǒng)計(jì)的棗園站44 a洪水系列中，大洪水年份有1989年、1977年、1993年，一般洪水年份有1971年、1992年、2004年，枯水年份有1986年和2006年等。

從均值和Cv的變化曲線可以看出：均值和Cv參數(shù)隨著系列的增加均趨于穩(wěn)定，當(dāng)系列的長度超過32 a時(shí)均值變化范圍在481～400 m3/s、Cv在1.01～1.12之間。

點(diǎn)繪年最大洪峰流量差積曲線分析可見， 41 a系列差積曲線呈雙峰型，洪峰流量隨歷時(shí)的變化有兩個(gè)豐、枯周期，1971-1987年為一個(gè)周期，歷時(shí)17 a；1988-2014年為一個(gè)周期，歷時(shí)27 a。兩個(gè)豐、枯周期表示組成的洪水系列具有較好的代表性[6]。

4)洪水頻率分析計(jì)算

根據(jù)棗園站1971-2014年共44年實(shí)測年最大洪峰流量系列，以年最大值法選樣，特大值選用1989年7月16日最大實(shí)測洪水處理，同時(shí)將1933年歷史調(diào)查洪水也加入按不連序系列進(jìn)行頻率計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)頻率、變差系數(shù)Cv分別采用數(shù)學(xué)期望公式和矩法計(jì)算，理論頻率偏態(tài)系數(shù)Cs則按照經(jīng)驗(yàn)，取Cv的倍比后采用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行適線。棗園站不同頻率洪水成果及統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 棗園站洪水頻率計(jì)算成果 m3/s

5)成果對比及選用

西川河棗園站洪水頻率計(jì)算成果由于多次規(guī)劃、設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行過修改，以往歷次成果與本次計(jì)算成果見表4。從表中可以看出，本次計(jì)算成果與“城市防洪可研”成果差異較小。鑒于本次計(jì)算采用的資料系列更長，資料代表性相對較好，因此本次采用2015年計(jì)算值作為本次分析依據(jù)。

表4 西川河棗園站歷次洪水計(jì)算成果比較 m3/s

3.2.2 工程設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算

工程處設(shè)計(jì)洪水采用面積比擬法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

(1)

式中：Q工程處為工程處設(shè)計(jì)洪峰流量(m3/s)；Q參證站為參證站設(shè)計(jì)洪峰流量；F工程處為工程處控制流域面積(km2)、F參證站為參證站控制流域面積(km2)。

經(jīng)過計(jì)算，得到工程處的設(shè)計(jì)洪水成果，詳見表5。

表5 工程處不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果表 m3/s

3.3 經(jīng)驗(yàn)公式法推求設(shè)計(jì)洪水

按照《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊》中介紹的洪峰流量匯水面積相關(guān)法經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算工程處的設(shè)計(jì)洪峰流量。計(jì)算公式為：

QN=KN×Fn

(2)

式中：QN代表重現(xiàn)期為N的設(shè)計(jì)洪峰流量(m3/s)；F代表設(shè)計(jì)流域面積(km2)；KN、n代表重現(xiàn)期為 N 的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式參、指數(shù)。

工程位于黃土丘陵溝壑Ⅱ區(qū)，根據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊》中的洪峰面積相關(guān)公式參數(shù)表，查算經(jīng)驗(yàn)公式的參、指數(shù)，經(jīng)過計(jì)算，求得賀溝口護(hù)岸工程處的設(shè)計(jì)洪水，計(jì)算成果見表6。

表6 經(jīng)驗(yàn)公式法設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表

3.4 綜合參數(shù)法推求設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊》多因子綜合參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算公式為：

QmN=CNα·Fβ·ψ·γ·H3N·η

(3)

式中：QmN為設(shè)計(jì)頻率為 N 的設(shè)計(jì)洪峰流量(m3/s)；N為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期(年)；F為設(shè)計(jì)流域面積(km2)；ψ為流域形狀系數(shù)，ψ=F/L2；L為主溝長度(km)；H3N為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為N的3小時(shí)面雨量(mm)；C、α、β、γ、η為分區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和指數(shù)。

查《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊》中的分區(qū)參、指數(shù)表，經(jīng)驗(yàn)參、指數(shù)為：C=2.54，α=0.17，β=0.58，γ=0.11，η=0.49。工程以上段流域面積為22.1 km2，河道長10.9 km，流域形狀系數(shù)ψ為0.186。經(jīng)過計(jì)算，求得防洪治理工程處的設(shè)計(jì)洪水。成果見表7。

表7 綜合參數(shù)法設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表

3.5 推理公式法推求設(shè)計(jì)洪水

賀溝口流域特性主要要素是，控制面積為22.1 km2，主河道長10.9 km，主河道坡降為9.8‰。

3.5.1 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

1)設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量

可以查閱《陜西省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》、《陜西省延安地區(qū)實(shí)用水文手冊》中的不同時(shí)段年最大20 min、1 h、3 h、6 h、12 h、24 h點(diǎn)雨量均值等值線圖、相應(yīng)時(shí)段點(diǎn)雨量變差系數(shù)等值線圖。查得賀溝口流域幾何中心處設(shè)計(jì)與校核頻率最大6 h、3 h、1 h、1/3 h暴雨量雨量均值、變差系數(shù)Cv，再按Cs=3.5Cv查對應(yīng)的不同頻率kp值，按下式計(jì)算流域幾何中心年最大6 h、3 h、1 h、1/3 h歷時(shí)設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量。

Hp=kpH

(4)

式中：Hp為頻率P不同時(shí)段設(shè)計(jì)暴雨量，mm；kp為頻率P對應(yīng)的模比系數(shù)；H為年最大不同時(shí)段暴雨量均值，mm。

賀溝口控制流域幾何重心年最大各歷時(shí)設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量成果詳見表8。

表8 賀溝口制流域幾何重心年最大各歷時(shí)設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量

表9 賀溝口控制流域幾何中心年最大各歷時(shí)設(shè)計(jì)面雨量

2)設(shè)計(jì)面雨量

3.5.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

1)產(chǎn)流計(jì)算

暴雨時(shí)程分配按6 h設(shè)計(jì)暴雨概化雨型進(jìn)行，黃土丘陵溝壑區(qū)設(shè)計(jì)條件下土壤前期含水量33 mm，當(dāng)S<100時(shí)，入滲率f=1.65S-0.374i0.565，S≥100時(shí)，f取3.7 mm/h，潛流雨按10%扣除，計(jì)算結(jié)果見表10和表11。

2)匯流計(jì)算

(1)計(jì)算公式：采用《陜西省延安地區(qū)實(shí)用水文手冊》(1987年)中的推理公式：

(5)

(6)

式中：Qp為設(shè)計(jì)頻率為P的最大洪峰流量，m3/s；h為凈雨深，mm，在全面匯流時(shí)代表相應(yīng)于τ時(shí)段的最大凈雨，在部分匯流時(shí)代表單一洪峰對應(yīng)的面平均凈雨；F為流域面積，km2；τ為流域匯流歷時(shí)，h；L為沿主溝道從出口斷面至分水嶺的最長距離，km；m為匯流參數(shù)；J為沿程L的平均比降；0.278為單位換算系數(shù)。

表10 P=50%產(chǎn)流計(jì)算過程表

表11 P=10%產(chǎn)流計(jì)算過程表

(2)匯流參數(shù)m計(jì)算：在黃土丘陵溝壑區(qū)，公式如下。采用公式計(jì)算得出P=50%時(shí)，m=4.88；P=10%時(shí)，m=2.75。

m=3.52θ0.225hR-0.31

(7)

(3)匯流歷時(shí)τ及洪峰流量Qp推求：查算出匯流參數(shù)m后，假定一系列Qp，計(jì)算并繪制Qp～τ曲線，同時(shí)計(jì)算凈雨過程并繪制Qp～t曲線，兩條曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的縱坐標(biāo)即為所求的洪峰流量Qp，橫坐標(biāo)即為匯流歷時(shí)τ。P=50%和P=10%的Q～τ曲線和Q～t曲線的關(guān)系曲線分別見圖1和圖2。由圖查得賀溝口河道Q50%=13.5 m3/s；Q10%=83.5 m3/s。

圖1 P=50%時(shí)Q～τ曲線和Q～t曲線 圖2 P=10%時(shí)Q～τ曲線和Q～t曲線

3.6 設(shè)計(jì)洪水成果比選

將水文比擬法、經(jīng)驗(yàn)公式法、綜合參數(shù)法和推理公式法各種方法計(jì)算成果匯總見表12。從表中可以看出，各種方法計(jì)算的成果略有差異。一般情況下，經(jīng)驗(yàn)公式法、綜合參數(shù)法使用參數(shù)較少，水文比擬法參證站控制流域面積與設(shè)計(jì)流域面積相差較大，成果精度也相對較低。推理公式法是以暴雨為基礎(chǔ)，考慮前期影響雨量和流域的產(chǎn)流和匯流特征，在計(jì)算過程中綜合考慮和反映了流域控制面積、長度和比降等因素對洪水的影響，因此，本次河道設(shè)計(jì)洪水采用推理公式法計(jì)算的結(jié)果。

表12 設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果匯總表

4 結(jié)語

賀溝口流域具有重要的水土保持功能，通過對賀溝口流域河道工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法及過程進(jìn)行分析，為實(shí)施寶塔區(qū)賀溝口流域水土流失綜合治理與生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，保證了流域綜合治理及修復(fù)工程的順利實(shí)施。工程的實(shí)施可改善流域水土環(huán)境質(zhì)量，有效保護(hù)與修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)，提高資源環(huán)境承載力，推動實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。