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        基于推理公式法的小流域洪水設(shè)計(jì)分析

        2022-10-27 06:58:02
        海河水利 2022年5期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        孟 宇

        (遼寧省阜新水文局,遼寧 阜新 123000)

        在現(xiàn)有暴雨設(shè)計(jì)方法上,研究者通常認(rèn)為研究區(qū)面積較小,降雨的空間分布比較均勻,可不考慮城市設(shè)計(jì)暴雨的空間變異性,然而在整個(gè)城市的區(qū)域尺度上,由于城市小氣候影響及城市高層建筑物的物理阻擋作用,加之氣候變化對(duì)城市地區(qū)降雨的疊加影響,城市降雨的空間變異性已非常顯著[1]。因此,在洪水設(shè)計(jì)時(shí),考慮時(shí)空差異有助于準(zhǔn)確地把握暴雨時(shí)域關(guān)系,保障防洪工程的順利實(shí)施。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過理論研究、公式推導(dǎo)等方法來對(duì)洪水進(jìn)行設(shè)計(jì)分析[2-7]。本文以彰武縣鷂鸚河流域?yàn)槔?,考慮流域的時(shí)空分布特性,深入分析了防災(zāi)對(duì)象所在小流域以及防災(zāi)對(duì)象上游河段的暴雨特性、小流域特征,研究了歷史山洪災(zāi)害情況,以小流域?yàn)閱卧侠磉x擇適用于當(dāng)?shù)氐脑O(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法和水文模型等分析計(jì)算方法,分析小流域洪水規(guī)律,并驗(yàn)證了小流域設(shè)計(jì)暴雨的合理性。

        1 氣象與水文概況

        鷂鸚河屬于遼寧省阜新市境內(nèi)繞陽河分支,流經(jīng)阜新市阜蒙縣平安地鎮(zhèn)、塔營(yíng)子鎮(zhèn)、建設(shè)鎮(zhèn),彰武縣哈爾套鎮(zhèn)、四堡子鎮(zhèn)。該區(qū)域?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)大陸性氣候,年最大24 h 降水量為70~80 mm,年最大24 h降水量Cv值在0.60~0.62。鷂鸚河長(zhǎng)度為29.34 km,流域面積為110.63 km2,河流形狀系數(shù)為0.128,平均寬度為3.77 km,河流彎曲系數(shù)為1.713,主河道比降為3.5‰。

        根據(jù)《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》(1998 年版),得知鷂鸚河小流域水文分區(qū)為V1 區(qū),匯流參數(shù)x=0.57,y=0.65。鷂鸚河不同降雨時(shí)間各水文指標(biāo)關(guān)系,詳見表1。

        表1 鷂鸚河不同降雨時(shí)間下各水文指標(biāo)

        彰武縣山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)對(duì)象名錄,詳見表2。

        表2 彰武縣山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)對(duì)象名錄

        2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

        2.1 河道設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

        采用典型頻率洪水計(jì)算中的推理公式法,計(jì)算公式為:

        式中:QP為設(shè)計(jì)洪峰流量(m3/s);ψp為洪峰徑流系數(shù);ip為面暴雨強(qiáng)度(mm/h);F為流域集水面積(km2)。

        設(shè)計(jì)頻率包括5、10、20、50、100 a 一遇5 種;設(shè)計(jì)時(shí)暴雨與洪水同頻率發(fā)生,即設(shè)計(jì)洪水頻率等同于設(shè)計(jì)暴雨頻率。本文考慮到有些防災(zāi)對(duì)象處于河流源頭附近,控制斷面上游流域面積較小(小于50 km2甚至不足5 km2)、河長(zhǎng)較短、河道比降較大,以致匯流時(shí)間很短,不足1 h,有些不足0.5 h,與實(shí)際不符,因此采用流域附近的雨量站歷史觀測(cè)資料進(jìn)行頻率計(jì)算,以頻率計(jì)算出的1 h 典型頻率降雨量與采用《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》計(jì)算出的同頻率設(shè)計(jì)面暴雨強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比,當(dāng)《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》計(jì)算結(jié)果大于實(shí)測(cè)雨量資料頻率計(jì)算結(jié)果時(shí),采用實(shí)測(cè)雨量資料頻率計(jì)算結(jié)果。彰武縣鷂鸚河雨量代表站1 h 典型頻率降雨量,詳見表3。

        表3 鷂鸚河雨量代表站1 h典型頻率降雨量

        鷂鸚河的東大窩堡典型頻率設(shè)計(jì)面暴雨強(qiáng)度、實(shí)測(cè)1 h 雨量對(duì)比,詳見表4。彰武縣3 個(gè)小流域的14 個(gè)防災(zāi)對(duì)象均按照此方法進(jìn)行分析后計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。

        表4 鷂鸚河的東大窩堡典型頻率設(shè)計(jì)面暴雨強(qiáng)度、實(shí)測(cè)1 h雨量對(duì)比 mm

        2.2 水位流量關(guān)系推算

        彰武縣各流域防災(zāi)對(duì)象控制斷面水位流量關(guān)系計(jì)算采用曼寧公式,計(jì)算公式為:

        式中:Q為流量(m3/s);n為糙率;J為比降;A為斷面過水面積(m2);R為水力半徑(m)。

        其中,水力半徑通過不同水位級(jí)過水面積及濕周確定,計(jì)算公式為:

        式中:P為濕周(m);其余變量含義同上。

        根據(jù)曼寧公式確定各個(gè)防災(zāi)對(duì)象控制斷面的水位流量關(guān)系曲線,并采用平均流速外包線分析法對(duì)水位流量關(guān)系的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。繞陽河韓家杖子水文站位于繞陽河上游,流域特征與本次分析評(píng)價(jià)的小流域特征相近,因此選擇該站作為代表站做平均流速外包線。首先收集了韓家杖子水文站1985—2013年平均水深與平均流速資料,建立平均水深-平均流速相關(guān)關(guān)系,并做點(diǎn)群外包線,如圖1所示。

        圖1 韓家杖子水文站平均水深-平均流速關(guān)系曲線

        彰武縣部分小流域防災(zāi)對(duì)象控制斷面水位流量關(guān)系曲線,如圖2所示。

        圖2 彰武縣部分小流域防災(zāi)對(duì)象控制斷面水位流量關(guān)系曲線

        3 設(shè)計(jì)洪水合理性分析

        彰武縣各流域(水文、水庫站)典型頻率設(shè)計(jì)(實(shí)測(cè))洪峰流量與流域面積,詳見表5。

        由表5 可知,本次推理公式計(jì)算出的典型頻率設(shè)計(jì)洪水與實(shí)測(cè)資料頻率計(jì)算結(jié)果十分相似,證明推理公式計(jì)算的設(shè)計(jì)洪峰流量合理。設(shè)計(jì)洪峰流量除了與降雨相關(guān)外,還與河長(zhǎng)、河道比降、流域面積等流域特性有關(guān),對(duì)于同一場(chǎng)次降雨,山區(qū)性河流的流量通常是從上游到下游逐漸增大。因此,在對(duì)彰武縣3 個(gè)小流域進(jìn)行Qm-F相關(guān)關(guān)系分析的基礎(chǔ)上,又對(duì)每個(gè)小流域的各個(gè)防災(zāi)對(duì)象控制斷面設(shè)計(jì)洪峰流量進(jìn)行了上下游流量相關(guān)分析。以鷂鸚河小流域?yàn)槔?,共分析評(píng)價(jià)了8個(gè)防災(zāi)對(duì)象,各防災(zāi)對(duì)象控制斷面位置如圖3所示。

        表5 彰武縣各流域(水文、水庫站)典型頻率設(shè)計(jì)(實(shí)測(cè))洪峰流量與流域面積

        圖3 彰武縣鷂鸚河流域控制斷面布設(shè)

        各防災(zāi)對(duì)象的河長(zhǎng)、河道比降、流域面積、設(shè)計(jì)洪峰流量,詳見表6。

        由表6 可以看出,從上游到下游的河長(zhǎng)逐漸增大、流域面積逐漸增大,計(jì)算出的同頻率設(shè)計(jì)洪水逐漸增大。因此,可以判定鷂鸚河流域各防災(zāi)對(duì)象控制斷面的設(shè)計(jì)洪水演進(jìn)趨勢(shì)合理。在此基礎(chǔ)上,對(duì)彰武縣3 個(gè)小流域14 個(gè)防災(zāi)對(duì)象的設(shè)計(jì)洪水均進(jìn)行了上述洪水演進(jìn)趨勢(shì)的分析,并判定其合理性。

        表6 彰武縣鷂鸚河流域各防災(zāi)對(duì)象設(shè)計(jì)洪峰流量對(duì)照

        4 結(jié)論

        本文以彰武縣鷂鸚河流域?yàn)槔?,考慮流域的時(shí)空分布特性,采用推理公式法對(duì)彰武縣鷂鸚河流域以及相關(guān)受災(zāi)對(duì)象的河道設(shè)計(jì)洪水、水位流量關(guān)系、小流域洪水規(guī)律進(jìn)行了分析,最后通過流域面積-洪峰流量圖驗(yàn)證了整個(gè)洪水設(shè)計(jì)過程的合理性。結(jié)果表明,洪峰流量除了與降雨相關(guān)外,還與河長(zhǎng)、河道比降、流域面積等流域特性有關(guān),對(duì)于同一場(chǎng)次降雨,山區(qū)性河流的流量通常是從上游到下游逐漸增大。在基于推理公式法對(duì)鷂鸚河流域各防災(zāi)對(duì)象控制斷面的設(shè)計(jì)洪水演進(jìn)趨勢(shì)合理性分析的基礎(chǔ)上,對(duì)彰武縣3 個(gè)小流域14 個(gè)防災(zāi)對(duì)象的設(shè)計(jì)洪水均進(jìn)行了上述洪水演進(jìn)趨勢(shì)的分析,并判定其合理性。

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