淺析無(wú)資料小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算
——以烏蘭察布高原東南部丘陵區(qū)為例

李 立

(內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

淺析無(wú)資料小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算
——以烏蘭察布高原東南部丘陵區(qū)為例

李 立

(內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

本文闡述了無(wú)資料小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法，并率定了計(jì)算參數(shù)。選擇烏蘭察布高原東南部丘陵區(qū)乃曼郭勒和東河兩個(gè)典型區(qū)，采用兩種方法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，并通過(guò)歷史調(diào)查資料驗(yàn)證計(jì)算方法及參數(shù)的合理性，同時(shí)針對(duì)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的制約因素提出解決措施。

小流域;無(wú)資料;設(shè)計(jì)洪水;驗(yàn)證

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.017

烏蘭察布高原東南部地處內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市和錫林郭勒盟接壤地帶，西鄰陰山北麓土石山丘陵草原區(qū)，北側(cè)和東側(cè)與渾善達(dá)克沙地相接，南為大馬群山，行政區(qū)劃涉及烏蘭察布市的商都縣、化德縣和錫林郭勒盟的鑲黃旗、正鑲白旗及太仆寺旗等。區(qū)內(nèi)地勢(shì)開(kāi)闊，地表起伏不平，多寬淺盆地，海拔高程為1200～1600m，丘陵、高平原、沙漠、湖沼等多種地形相間分布。本區(qū)涉及察汗淖爾、阿拉騰嘎達(dá)斯、東烏蘭諾爾及西烏蘭諾爾水系，水文觀測(cè)站點(diǎn)稀少，缺乏實(shí)測(cè)水文資料，給設(shè)計(jì)洪水計(jì)算帶來(lái)了極大的困難。目前，小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法主要有水文比擬法、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法和推理公式法［1］，前兩種方法原理基本一致，本文主要探討地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法和推理公式法的適用性。

1 計(jì)算方法

1.1 地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法

地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式需要通過(guò)具有長(zhǎng)期觀測(cè)資料且有代表性的水文站設(shè)計(jì)洪水參數(shù)進(jìn)行率定。內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)陸河上控制流域面積小于1000km2的水文站點(diǎn)有烏蘭花河活佛灘站、霸王河集寧站和不凍河商都站。其中活佛灘站集水面積為92.5km2，流域內(nèi)地貌為大青山北麓土石山區(qū)丘陵區(qū);集寧站集水面積為701km2，流域內(nèi)地貌為臺(tái)地丘陵區(qū);商都站集水面積為543km2，流域內(nèi)地貌為丘陵區(qū)［2］?！秲?nèi)蒙古自治區(qū)水文手冊(cè)》選用商都站為代表站分析了丘陵區(qū)的洪水地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式，資料系列為1962～ 1974年，年限不足15年，代表性不強(qiáng)。本次采用延長(zhǎng)至2006年的商都站設(shè)計(jì)洪水成果修正地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式。

1.1.1 單參數(shù)公式［3，4］

單參數(shù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式的形式為:

n—洪峰衰減指數(shù);

C1—經(jīng)驗(yàn)系數(shù);

F—流域面積，km2。

本次分別對(duì)面積小于 100km2及大于等于100km2的流域地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正，洪峰衰減指數(shù)n采用《內(nèi)蒙古自治區(qū)水文手冊(cè)》中的成果，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)C1采用延長(zhǎng)系列后的設(shè)計(jì)洪水成果反算，修正成果見(jiàn)表1。

表1 丘陵區(qū)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式修正系數(shù)

1.1.2 多參數(shù)公式［3］

多參數(shù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式的形式為:

J—控制斷面以上河道比降;

f—流域形狀系數(shù)，f=F/L2，L為河道長(zhǎng)度(km);

C2—經(jīng)驗(yàn)系數(shù);

其他符號(hào)含義同上。

利用商都站多年平均洪峰流量、多年平均24h暴雨(以點(diǎn)代面)、河道比降、流域面積及河道長(zhǎng)度反算公式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)C2，計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 多參數(shù)公式經(jīng)驗(yàn)系數(shù)C計(jì)算成果

1.2 推理公式法［3，4］

式中:Sp=H面24h，p24n-1

H面24h，p—設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的24h面平均暴雨;

ns，L=1+C×lg(HS/Hl)，暴雨遞減指數(shù)，較短時(shí)段為S，較長(zhǎng)時(shí)段為 L［5，6］;1h～6h和6h～24h的C值分別為1.285和1.661;產(chǎn)流歷時(shí)內(nèi)平均下滲強(qiáng)度(mm/h);

hm—設(shè)計(jì)暴雨產(chǎn)生的徑流深(mm)，hm=aH24h，p;產(chǎn)流歷時(shí);

m—匯流參數(shù);

F0—流域地形圖上長(zhǎng)度為L(zhǎng)tB的最大面積。

2 典型區(qū)計(jì)算案例

2.1 典型區(qū)概況

2.1.1 流域概況

本次計(jì)算典型區(qū)選為正鑲白旗明安圖鎮(zhèn)乃曼郭勒和太仆寺旗寶昌鎮(zhèn)東河。乃曼郭勒位于正鑲白旗境內(nèi)，屬于錫林郭勒盟南部?jī)?nèi)陸河阿拉騰嘎達(dá)斯水系，是布爾嘎斯特郭勒的一級(jí)支流。該溝為季節(jié)性山洪溝，發(fā)源于額勒?qǐng)D山，自北向南流經(jīng)正鑲白旗政府所在地明安圖鎮(zhèn)后，折向西，其下游又稱(chēng)為后河，在大淖附近匯入布爾嘎斯特郭勒［7］。該溝流域面積為201.9km2，河道長(zhǎng)度為48.2km，河道比降約為10.3‰［8］。流域海拔高程在1230～1730m之間，為低山丘陵區(qū)，植被覆蓋差，水土流失嚴(yán)重。

東河位于太仆寺旗中部，是寶昌溝流域主要河流之一，為季節(jié)性河流，發(fā)源于太仆寺旗后房子村的小尖梁的南麓，向南貫穿寶昌鎮(zhèn)，經(jīng)白馬群進(jìn)入平緩草原，最終匯入烏蘭諾爾［8］。該河流域面積為474.8km2，河道長(zhǎng)度為 45km，河道平均比降為5.8‰［9］。寶昌鎮(zhèn)以上河道蜿蜒曲折，河床為卵石砂礫覆蓋，以下屬于平緩草原。

設(shè)計(jì)洪水計(jì)算控制斷面選擇:乃曼郭勒選為明安圖鎮(zhèn)舊中心橋;東河選為寶昌鎮(zhèn)宏大水庫(kù)壩下?？刂茢嗝嬉陨狭饔蛱匦砸?jiàn)表3。

表3 典型區(qū)洪水計(jì)算控制斷面以上流域特性

2.1.2 氣候特征

本區(qū)域?qū)儆谥袦貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)。氣候特征為春季干旱多風(fēng)，夏季短熱多雨，秋季涼爽溫差大，冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)。根據(jù)區(qū)域內(nèi)氣象站觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析，多年平均氣溫為1.4～3.5℃，極端最高氣溫為33.5～38.7℃，極端最低氣溫為-35.0～-39.8℃。多年平均降水量為 268.0～386.8mm，主要集中在6～9月，占全年降水量的70%。多年平均蒸發(fā)量為1715.5～2235mm(Φ20蒸發(fā)皿)。多年平均風(fēng)速為3.4～4.8m/s，歷年最大風(fēng)速24～40m/s，汛期6～9月多年平均最大風(fēng)速為14.2～16.4m/s，風(fēng)向多為WNW。該區(qū)域歷年最大凍土深為199～295cm。

2.1.3 暴雨洪水特性

本區(qū)域河流洪水主要由暴雨形成，暴雨同西太平洋副熱帶高壓的活動(dòng)有密切關(guān)系，每年6月下旬至9月上旬是暴雨最為活躍期，水汽沿太平洋高壓西北前沿輸送至此，與西風(fēng)帶中的冷渦氣旋配合，冷暖氣流的交匯為本區(qū)暴雨的形成提供了有利條件。本地區(qū)年降水量不大，但局部暴雨比較頻繁，暴雨的特點(diǎn)是突發(fā)性強(qiáng)、籠罩面積小、強(qiáng)度大、歷時(shí)短，一般主雨歷時(shí)多在3～4h。根據(jù)觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，多年平均24h最大降雨量為39.3～52.2mm，歷年最大一日降雨量正鑲白旗為111.0mm(1974年)、太仆寺旗為121.8mm(1969年)。

洪水與暴雨同期，其特點(diǎn)為峰高、量小、洪水歷時(shí)短，一次洪水歷時(shí)一般不超過(guò)24h。

2.1.4 實(shí)測(cè)及調(diào)查洪峰流量

在明安圖鎮(zhèn)和寶昌鎮(zhèn)均有調(diào)查洪水，洪水發(fā)生年份為1983年和2003年，調(diào)查洪峰流量為176～465m3/s，重現(xiàn)期為25～1000年。實(shí)測(cè)及調(diào)查洪水成果見(jiàn)表4。

表4 實(shí)測(cè)或調(diào)查洪水成果［8，9］

2.2 典型區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

利用前述兩種方法計(jì)算典型河流控制斷面以上設(shè)計(jì)洪水，計(jì)算成果見(jiàn)表5，其中推理公式法計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表6和表7。

表5 典型區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果

表6 舊中心橋設(shè)計(jì)洪計(jì)算參數(shù)

表7 宏大水庫(kù)壩下設(shè)計(jì)洪計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算驗(yàn)證及方法適應(yīng)性分析

利用調(diào)查的乃曼郭勒2003年洪水和東河1983年洪水驗(yàn)證前述兩種設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法的合理性，成果對(duì)比見(jiàn)表8。

表8 典型區(qū)設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算值與調(diào)查值對(duì)比驗(yàn)證

通過(guò)上表對(duì)比分析，乃曼郭勒設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中單參數(shù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與調(diào)查值最為接近，偏小8.5%;東河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中多參數(shù)地區(qū)公式和推理公式法計(jì)算值與調(diào)查值相差都不大，離差分別為4.3%～2.6%。由此看出，兩種方法對(duì)典型區(qū)均有其各自的適應(yīng)性，設(shè)計(jì)洪峰流量合理確定關(guān)鍵還要依靠實(shí)測(cè)或調(diào)查洪水的驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析可知，無(wú)資料地區(qū)小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的關(guān)鍵是具有實(shí)測(cè)或歷史調(diào)查資料進(jìn)行驗(yàn)證。

目前，內(nèi)蒙古自治區(qū)廣大區(qū)域水文基礎(chǔ)觀測(cè)設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后，小流域水文觀測(cè)資料匱乏，嚴(yán)重制約了工程設(shè)計(jì)中水文分析計(jì)算工作，水文部門(mén)應(yīng)完善水文基礎(chǔ)觀測(cè)站網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃，盡快建設(shè)小流域水文試驗(yàn)站。局地暴雨洪水調(diào)查工作未能全面及時(shí)開(kāi)展，致使無(wú)資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水合理性無(wú)法驗(yàn)證，應(yīng)加強(qiáng)管理，使小流域局地暴雨洪水調(diào)查工作常態(tài)化。水文觀測(cè)及調(diào)查資料不能全面共享，限制了科研人員對(duì)小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法及基礎(chǔ)參數(shù)的研究，建議水文資料面向全社會(huì)公開(kāi)。

［1］SL44-2006.水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范［S］.

［2］鄭春溪，李立，等.內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟鑲黃旗新寶拉格鎮(zhèn)防洪工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.呼和浩特.2011.

［3］內(nèi)蒙古自治區(qū)水文總站.內(nèi)蒙古自治區(qū)水文手冊(cè)［R］.呼和浩特.1977.

［4］陳家琦，張恭肅.小流域暴雨洪水計(jì)算［M］.北京:水利電力出版社，1983.

［5］水利部水文局，南京水利科學(xué)研究院，中國(guó)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.

［6］連明濤，朱文升.特大暴雨遞減指數(shù)分析［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014(11):14-16.

［7］內(nèi)蒙古自治區(qū)水文總站.內(nèi)蒙古自治區(qū)(西部)河流湖泊(諾爾)特征值手冊(cè)［R］.呼和浩特.1980.

［8］嚴(yán)坤欽，李立，等.內(nèi)蒙古自治區(qū)正鑲白旗明安圖鎮(zhèn)防洪工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.呼和浩特.2011.

［9］河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.內(nèi)蒙古自治區(qū)太仆寺旗寶昌鎮(zhèn)東河防洪工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.石家莊.2011.

P333.2

A

1672-2469(2016)08-0050-03

2015-10-23

李 立(1982年—)，男，工程師。