蔚汾河河道洪水計(jì)算分析

吳 勇

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，太原 030024）

1 工程概況

蔚汾河[1]是黃河一級(jí)支流，地處呂梁山西麓，屬黃土高原東部。發(fā)源于嵐縣野雞山西之白龍山，海拔2264m。流經(jīng)嵐縣大蛇頭、界河口進(jìn)入興縣經(jīng)惡虎灘、車(chē)家莊、興縣縣城、蔡家崖于碧村張家灣匯入黃河，河流全長(zhǎng)81.8km，其主要支流有嵐尾河和南川河。流域總面積1462.55km2，其中：興縣境內(nèi)流長(zhǎng)55km，流域面積1249.11km2，嵐縣境內(nèi)流長(zhǎng)26.8km，流域面積213.44km2。 河床縱坡0.97%，糙率0.04。

蔚汾河流域水文測(cè)站有碧村水文站和興縣水文站。碧村水文站位于山西省興縣高家村鄉(xiāng)碧村。該站集水面積1476km2，為黃河水系蔚汾河干流控制站，1955年原為高家村水文站，1958年下遷5km改名為碧村站，于1986年停測(cè)后移至興縣縣城。興縣水文站位于興縣車(chē)家莊村蔚汾河干流上，該站集水面積650km2，為黃河水系蔚汾河干流控制站。

2 洪水計(jì)算

洪水計(jì)算斷面處控制流域面積1029km2，距上游興縣水文站15km，距下游碧村水文站20km。設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用洪峰～面積關(guān)系和 《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“手冊(cè)”）[2]分別進(jìn)行洪水計(jì)算，并結(jié)合歷史洪水綜合分析后確定洪水成果。

2.1 利用洪峰～面積關(guān)系分析[3]

通過(guò)對(duì)碧村站1956～1985年30年實(shí)測(cè)洪水系列進(jìn)行頻率分析，得出碧村站20年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量1631m3/s，50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量2291m3/s；興縣站1986～2008年23年實(shí)測(cè)洪水系列進(jìn)行頻率分析，20年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量556m3/s，50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量885m3/s，如表1。

表1 洪峰流量計(jì)算結(jié)果

利用興縣、碧村水文站設(shè)計(jì)洪水成果點(diǎn)繪洪峰～面積相關(guān)曲線(xiàn)如圖1。

圖1 興縣、碧村水文站洪峰～面積相關(guān)曲線(xiàn)

2.2 利用《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》分析

2.2.1 特征參數(shù)

流域特征參數(shù)包括主河道長(zhǎng)、流域面積、平均坡度、平均寬度、產(chǎn)匯流地類(lèi)[4]。洪水計(jì)算主要特征參數(shù)如表2。

表2 流域特征參數(shù)

2.2.2 設(shè)計(jì)暴雨

根據(jù)流域面積大小及暴雨參數(shù)等值線(xiàn)圖查得，不同歷時(shí)的暴雨均值H和Cv值，計(jì)算不同頻率設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量，如表3。

表3 主雨歷時(shí)及主雨雨量計(jì)算

2.2.3 流域產(chǎn)流

由《手冊(cè)》查得不同頻率5%，10%，20%，對(duì)應(yīng)的流域持水度B0，p分別為0.54，0.50，0.5，計(jì)算可能損失、凈雨深、產(chǎn)流歷時(shí)、損失率和凈雨過(guò)程分配。

2.2.4 流域匯流

匯流計(jì)算采用《手冊(cè)》中綜合瞬時(shí)單位線(xiàn)和推理公式進(jìn)行計(jì)算。

（1）瞬時(shí)單位線(xiàn)把流域匯流過(guò)程假設(shè)由n個(gè)等效線(xiàn)性水庫(kù)串聯(lián)體對(duì)水流的調(diào)蓄過(guò)程。把單位凈雨與瞬時(shí)匯流曲線(xiàn)相乘稱(chēng)為瞬時(shí)單位線(xiàn)。

匯流地類(lèi)為灌叢山地、森林山地，β1，β2，α為經(jīng)驗(yàn)性指數(shù)， 分別取0.047，0.190，0.397；C1為復(fù)合地類(lèi)匯流參數(shù)分別取1.257，1.046；C2為單地類(lèi)匯流參數(shù)分別取1.53，0.717。

(2)推理公式匯流計(jì)算包括求解洪峰流量Qm、流域匯流時(shí)間τ及推理洪水過(guò)程線(xiàn)。單一地類(lèi)匯流參數(shù)m取值，灌叢山地取0.15，森林山地取0.08，黃土丘陵取0.35，計(jì)算結(jié)果如表4。

表4 斷面設(shè)計(jì)洪峰流量成果

2.3 設(shè)計(jì)洪水成果的采用

不同方法的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果如表4，興縣站與碧村站產(chǎn)流地類(lèi)對(duì)比如表5。

表5 產(chǎn)流地類(lèi)對(duì)比

由表5可知，碧村站以上，共有5種產(chǎn)流地類(lèi)，其中93.6%的變質(zhì)巖灌叢山地、87.8%的變質(zhì)巖森林山地、76.9%的灰?guī)r灌叢山地、70.6%的灰?guī)r森林山地4種地類(lèi)均位于興縣站以上，以上4種地類(lèi)差異較小；而黃土丘陵溝壑差異較大，碧村站以上黃土丘陵溝壑742.4km2，興縣站以上僅23.4km2，96.8%的黃土丘陵基本上均位于興縣站與碧村站區(qū)間。分析可以看出，興縣站和碧村站產(chǎn)流地類(lèi)差異較大。

本次設(shè)計(jì)斷面位于興縣站與碧村站之間，控制流域面積1029km2，比興縣站控制流域面積多58%，比碧村水文站控制流域面積少30%。設(shè)計(jì)斷面以上黃土丘陵溝壑地類(lèi)面積325km2，比碧村站黃土丘陵溝壑面積742.4km2少417.4km2，比興縣站黃土丘陵溝壑面積23.4km2多301.6km2。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，從流域控制面積和產(chǎn)流地類(lèi)兩方面，設(shè)計(jì)斷面與興縣站及碧村站差異都比較大，不宜直接采用洪峰～面積關(guān)系計(jì)算成果。

從歷史洪水來(lái)看，蔚汾河1996年發(fā)生了較大洪水，干流上有4個(gè)斷面的調(diào)查值[5]，自上游至下游，分別位于興縣水文站控制流域面積650km2，洪峰流量385m3/s；水磨灘斷面控制流域面積832km2，洪峰流量1630m3/s；南溝門(mén)前斷面控制流域面積841km2，洪峰流量1440m3/s；南通斷面控制流域面積974km2，洪峰流量1540m3/s。分析歷史調(diào)查洪水?dāng)?shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，1996年洪水的暴雨中心位于興縣水文站以下，興縣水文站以下斷面的洪水均大于1400m3/s。距離本次設(shè)計(jì)斷面最近的南通斷面1996年調(diào)查洪水1540m3/s，1996年洪水為1956年以來(lái)最大，洪水重現(xiàn)期60年。

綜合以上分析，《手冊(cè)》與洪峰～面積關(guān)系法比較，綜合考慮了流域產(chǎn)匯流條件和機(jī)制多方面的因素，計(jì)算成果與歷史洪水基本一致，成果合理可靠。

3 結(jié)語(yǔ)

本次采用《手冊(cè)》中的計(jì)算方法，綜合瞬時(shí)單位線(xiàn)和推理公式計(jì)算結(jié)果基本接近，綜合瞬時(shí)單位線(xiàn)結(jié)果稍大，從工程安全角度考慮，選取綜合瞬時(shí)單位線(xiàn)，10年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量635m3/s，20年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量1043m3/s，50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量1679m3/s較為合適。