郭小雷

(甘肅省水務(wù)投資有限責任公司,甘肅 蘭州 730000)

0 前言

西北干旱山區(qū),境內(nèi)降雨多集中在7-9月,暴雨頻發(fā),加上人類活動的影響,局地性暴雨引發(fā)的山洪、泥石流災(zāi)害時有發(fā)生,造成小流域地區(qū)下游大面積淤積、住宅埋沒、傷亡嚴重,財產(chǎn)損失較大。為此,設(shè)計洪水就要求具有較高的精度,為山洪預(yù)警、山洪災(zāi)害防治、工程建設(shè)等提供較為精確的設(shè)計參數(shù)。但是干旱山丘因地形限制,山脊線將匯流面積劃分為100 km2以下的溝道小流域,同時存在洪水資料缺乏,設(shè)計洪峰流量計算所采用的頻率適線法、推理公式法、瞬時單位線法等已經(jīng)不適用,并且國內(nèi)外研究資料對于100 km2以下的較小流域洪水計算方法研究較少。因此,本文以甘肅省某區(qū)為實例,通過地方經(jīng)驗公式法、原鐵道部第一勘察設(shè)計院公式法對小100 km2流域面積的典型溝道進行設(shè)計洪峰流量分析計算,對計算方法的適用性進行了進一步的論證,獲取了更高的精度[1-6]。

1 區(qū)域概況

1.1 地質(zhì)氣象條件

甘肅省某區(qū)位于甘肅省中部,地貌分區(qū)屬隴東、隴西黃土高原區(qū)之隴西黃土丘陵中山山地亞區(qū),其西北部為阿爾金山-祁連山侵蝕構(gòu)造山地區(qū)之祁連山東段中山山地亞區(qū)。該區(qū)南部和北部均為山脈地形,中間區(qū)域為黃河流經(jīng)后沖刷沉積形成的谷地。南部和北部山脈向中部黃河沖刷沉積區(qū)域的谷地傾斜,黃河自西向東穿越全境。山脈可由黃河河道分為南北兩個部分,南部和北部山脈平均海拔約為1 800 m。黃河谷地平均海拔約為1 540 m,地勢比較平坦。

根據(jù)該區(qū)氣象臺多年(1981-2020年)資料統(tǒng)計,該區(qū)多年平均的降雨量約為293.5 mm,多年最大的降雨量約為407.7 mm,多年最少降雨量約為168.3 mm,該區(qū)屬內(nèi)陸季風氣候,降雨過程主要集中在每年的7-9月份,占全年降雨的61%以上。

1.2 土壤類型及植被條件

該區(qū)的主要土壤類型包括粘壤土和砂粘土。其中,粘壤土分布面積最大,砂粘土的比例相對較少(具體分布見圖1)。該區(qū)境內(nèi)大部分面積被草地覆蓋,沿河附近分布有部分耕地,無林地分布(具體分布見圖2)。

圖1 某區(qū)土壤類型分布圖 圖2 某區(qū)土地利用情況圖

2 流域特征值量算

2.1 流域特征值計算方法

根據(jù)目前較為廣泛應(yīng)用的設(shè)計洪水計算方法[7],按照如下方法計算:

其中J值按下式計算:

J=P1L1+(P1+P2) L2+(P2+P3) L3+…L2

(1)

式中:Pi為某一點與出口斷面的高程差;Li為分段距離;L為主溝總長度。

2.2 流域特征值計算結(jié)果

本次計算選取了該區(qū)11條典型的溝道進行相關(guān)的分析計算,分別測量計算了各溝道的面積、河道長度、主河道比降等數(shù)據(jù),成果如表1。

3 暴雨量計算

根據(jù)《某市區(qū)山洪—泥石流設(shè)計流量復(fù)核論證》,該區(qū)年最大1 h點雨量均值為17.5 mm。為了進一步分析研究,在上述研究資料的基礎(chǔ)上,增加了該區(qū)2000-2020年近二十年的降水資料,并對照《甘肅省暴雨洪水圖集》,反映出該區(qū)的年最大1 h的點降雨量在14～18 mm等值線之間,通過查表確定該區(qū)年最大1 h點雨量均值為15.3 mm。綜合考慮相關(guān)成果資料后取16.5 mm。

表1 某區(qū)山洪溝道特征參數(shù)表

4 設(shè)計洪峰流量計算

該區(qū)設(shè)計流域缺乏水文資料,首先采用地區(qū)經(jīng)驗公式進行估算洪峰流量得出結(jié)果后,采用原鐵道部第一勘察設(shè)計院推理公式再次進行估算洪峰流量,并對結(jié)果進行對比分析[8-13]。

4.1 地區(qū)經(jīng)驗公式

如果在包含計算地區(qū)的較大范圍內(nèi),有n個附近流域觀測有較為完備的降水及流域洪水相關(guān)的觀測資料,可以求出每個流域的設(shè)計洪峰流量QMP,j(j=1,2,…,n),依據(jù)已計算出的設(shè)計洪峰成果,按照目標流域的調(diào)查氣候因子x1,x2,…和地理地形因子y1,y2…等資料,通過多種研究計算及相關(guān)性分析,分析推出計算目標流域的設(shè)計洪峰流量經(jīng)驗公式,即:

QMP=φ(x1,x2…,y1,y2…) QMP=QM平均(φpCv+1)

(2)

(3)

4.2 參數(shù)選取

(1)P-Ⅲ型分布及K-M分布的適用性都很強,只要參數(shù)Cv及Cs選用適當,都能與我國洪水相適應(yīng)。該區(qū)附近莊浪河紅崖子站有34 a實測洪水資料、洪水調(diào)查資料,1933年的洪峰調(diào)查值為809 m3/s;莊浪河武勝驛站有44 a實測洪水資料,1933年的洪峰調(diào)查值為520 m3/s;興隆河榆中水文站有20 a實測洪水資料;另外,選用了7個資料情況較好的定點洪水調(diào)查河段。用以上資料進行計算,通過適線求得變差系數(shù)Cv與偏態(tài)系數(shù)Cs。

(2)甘肅中部、東部地區(qū)洪水陡漲陡落,峰形孤獨尖瘦,從《甘肅省水文圖集》中查得Cv值在1.0～1.3左右,本次計算Cv值采用1.2,Cv/Cs值采用3.5,查得φp值見表2。

表2 不同頻率值表

(3)根據(jù)計算目標流域相關(guān)條件,上式中有關(guān)參數(shù)分別為0.6,0.75,0.19,0.09。

(4)k是地區(qū)經(jīng)驗公式一個綜合系數(shù),由于本次調(diào)查計算的區(qū)域溝道流域面積差別較大,土壤結(jié)構(gòu)、植被類型較復(fù)雜,根據(jù)近幾年的實際調(diào)查分析,該綜合系數(shù)K值取0.24。

4.3 原鐵道部第一勘察設(shè)計院推理公式(以下簡稱“鐵一院公式”)

鐵一院公式通過多年的研究論證及在多個行業(yè)部門的應(yīng)用結(jié)果分析,該公式針對西北干旱、半干旱地區(qū)計算洪峰流量的適用性較強,并且在匯水面積小于100 km2的小流域溝道具有較高的計算精度。

式中相關(guān)參數(shù)根據(jù)典型溝道下墊面特征選取相應(yīng)參數(shù)后進行計算。

4.4 計算成果

根據(jù)暴雨與洪水同頻率的假定,某區(qū)沿溝道設(shè)計洪水頻率即設(shè)計暴雨頻率按照《山洪災(zāi)害分析評價技術(shù)要求》的要求,需確定5 a一遇、10 a一遇、20 a一遇、50 a一遇、100 a一遇5種洪水頻率[13-15]。

本文分別采用地區(qū)經(jīng)驗公式計算方法及鐵一院公式方法進行計算,各溝道設(shè)計洪水計算成果如表3。

4.5 計算結(jié)果分析

通過地方經(jīng)驗公式及鐵一院法對設(shè)計洪水的結(jié)果分析,由表中可以看出不同方法計算得到的設(shè)計洪峰流量成果存在一定差異,為獲得較高的保證率,經(jīng)過合理性分析,流域面積小于10 km2的溝道采用蘭州經(jīng)驗公式計算得到的設(shè)計洪水成果,流域面積在10～100 km2的溝道采用鐵一院公式計算得到的設(shè)計洪水成果。

表3 某區(qū)溝道洪水計算成果表 m3/s

經(jīng)對比分析選取較合理的數(shù)值,溝道設(shè)計洪水計算方法如表4所示。

表4 山洪溝道設(shè)計洪水計算方法

5 結(jié)語

(1)西北地區(qū)地形復(fù)雜,主要以山區(qū)為主,且大部分溝道屬季節(jié)性流水,實測資料的水文站分布較少,計算流域難以獲得水文資料。根據(jù)甘肅省暴雨洪水圖集,瞬時單位線計算洪峰流量方法多適用于匯流面積在100～1 000 km2的流域,匯流面積小于100 km2的計算準確度難以保證;水利科學研究院水文研究所提出的計算洪峰流量推理公式(簡稱推理公式)多適用于匯流面積30～300 km2的流域,匯流面積小于30 km2的流域計算精度不高。西北地區(qū)主要以山區(qū)為主,山脊將匯水面積分割為匯流面積小于100 km2的溝道,流域面積大多小于30 km2,目前廣泛采用的洪峰計算方法不適用。通過計算分析,地方經(jīng)驗公式計算方法及鐵一院法可以在小于30km2的小流域洪峰流量計算中獲得較高的精度。

(2)流域面積小于10 km2的地區(qū)采用地方經(jīng)驗公式計算洪峰流量普遍大于鐵一院推理公式法,流域面積在10～100 km2的地區(qū)鐵一院公式法計算洪峰流量大于地方經(jīng)驗公式法。根據(jù)地方經(jīng)驗公式及鐵一院法計算結(jié)果分析,流域面積小于10km2的地區(qū)適用地方經(jīng)驗公式,流域面積在10～100 km2地區(qū)適用鐵一院公式法。

(3)本文進一步通過流域面積對計算方法的選取進行了進一步分析,提高了干旱山區(qū)小流域地區(qū)設(shè)計洪水計算精度,有利于洪水災(zāi)害預(yù)警、防洪工程建設(shè)的計算指導。

(4)隨著我國西北地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展,人口密度的增加,干旱山區(qū)小流域地區(qū)設(shè)計洪水計算精度有著重要意義,下一步將繼續(xù)深入研究干旱山區(qū)小流域設(shè)計洪水的價算方法,進一步提高干旱山區(qū)小流域設(shè)計洪水的精度,為設(shè)計、防洪預(yù)警管理等提供更科學的依據(jù)。