淺析新河下游河段設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

苗 清

（陜西省西安水文水資源勘測局，陜西 西安 710100）

1 流域概況

新河是渭河右岸一級支流，發(fā)源于西安市鄠邑區(qū)石井鎮(zhèn)的曲峪河村，于咸陽市秦都區(qū)馬家寨村匯入渭河。河長40.1 km，流域面積303.8 km2，平均比降8.5‰。其上游干流為潭峪河，主要支流有黃柏河、蒼龍河，在鄠邑區(qū)韓其寨村黃柏河匯入后，始稱新河，見圖1。

圖1 新河流域水系圖

新河上游潭峪河是由潭峪和曲峪匯流而成，源流為曲峪河，河長24.0 km，流域面積46.47 km2，河道平均比降36.1‰。黃柏河發(fā)源于黃柏峪后溝口，河長23.24 km，流域面積28.07 km2，河道平均比降19.4‰。蒼龍河河長29.4 km，流域面積56.1 km2，河道平均比降8.3‰，為平原區(qū)河道。新河流域按地形可劃分為上、中、下游河段，上游以環(huán)山路以南為秦嶺山區(qū)河段；環(huán)山路以北到韓其寨段為中游；韓其寨以北為新河下游河段。

2 洪水來源分析

新河流域洪水主要由暴雨和連陰雨形成，經(jīng)對新河多年來洪水統(tǒng)計(jì)，新河下游洪水主要來源于潭峪河和黃柏河，其下游支流許家河、蒼龍河洪水量級很小，下游沙河多年已經(jīng)不具備灃河分洪條件，自身基本不產(chǎn)流。新河中游洪水主要以上游秦嶺山區(qū)來水為主，山前平原區(qū)洪水為輔。洪峰流量多由上游山區(qū)洪水形成。

所以，計(jì)算新河下游起始斷面（潭峪河和黃柏河匯合口）設(shè)計(jì)洪水，就能代表新河下游河段設(shè)計(jì)洪水。該斷面的設(shè)計(jì)洪水，主要由潭峪河和黃柏河的洪水組成，兩河洪水又由上游山區(qū)和中游平原區(qū)兩部分組成。潭峪河山區(qū)河段以潭峪、曲峪匯合口分界，匯合口處位于馬家河村，其以上潭峪河河長10.5 km，流域面積21.58 km2，河道平均比降92.5‰；黃柏河以環(huán)山路為分界斷面，其以上山區(qū)河道河長5.74 km，流域面積12.1 km2，河道平均比降134.1‰。

3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

本次計(jì)算以新河下游河段100 年一遇設(shè)計(jì)洪水為例，介紹設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法。

新河流域無實(shí)測水文資料，屬無資料地區(qū)。設(shè)計(jì)洪水按潭峪河、黃柏河，分山區(qū)與平原區(qū)分別進(jìn)行計(jì)算，然后將各河流的山區(qū)與平原區(qū)疊加，得到本河流的設(shè)計(jì)洪水，最后再按各河流洪水的匯流時(shí)間錯(cuò)峰疊加，得新河下游干流設(shè)計(jì)洪水。山區(qū)采用水文比擬法、經(jīng)驗(yàn)公式法、推理公式法三種方法計(jì)算；平原區(qū)采用《西安市實(shí)用水文手冊》中“第五章暴雨及城鎮(zhèn)暴雨”中的公式進(jìn)行計(jì)算。

表1 新河各河段河流特征值表

3.1 山區(qū)段設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

3.1.1 水文比擬法

新河無水文資料，臨近澇河澇峪口水文站以上流域與新河流域山區(qū)均為秦嶺山地，氣象、水文、地形地貌等下墊面產(chǎn)流條件較為相似，因此，水文比擬法以西側(cè)臨近的澇河澇峪口水文站作為參證站。澇峪口水文站設(shè)立于1943 年，本次根據(jù)澇河澇峪口水文站1944 年～2015 實(shí)測年最大洪峰流量資料系列，并加入1898 年歷史調(diào)查洪水進(jìn)行頻率分析計(jì)算，并選用P-Ⅲ型曲線適線，成果見表2。

表2 澇峪口站設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果表

以澇峪口水文站設(shè)計(jì)洪峰流量成果，計(jì)算潭峪河、黃柏河（山區(qū)）設(shè)計(jì)洪峰流量，其計(jì)算公式為：

式中：Qp為潭峪河、黃柏河山區(qū)設(shè)計(jì)流量，m3/s；Q參為參證站同頻率設(shè)計(jì)流量，m3/s；F設(shè)為潭峪河、黃柏河山區(qū)流域面積，km2；F參為參證站控制流域面積km2。

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 潭峪河、黃柏河（山區(qū)）設(shè)計(jì)洪水水文比擬法計(jì)算成果表

3.1.2 經(jīng)驗(yàn)公式法

采用《西安市實(shí)用水文手冊》提供的計(jì)算洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Qmp為設(shè)計(jì)頻率為 P 的年最大流量，m3/s；Kp為設(shè)計(jì)頻率為P 的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；n 為設(shè)計(jì)頻率為P 的經(jīng)驗(yàn)指數(shù)；F 為潭峪河、黃柏河山區(qū)流域面積，km2。計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 潭峪河、黃柏河（山區(qū)）設(shè)計(jì)洪水經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算成果表

3.1.3 推理公式法

依據(jù)《西安市實(shí)用水文手冊》提供的方法和有關(guān)參數(shù)，由設(shè)計(jì)暴雨推求河段山區(qū)設(shè)計(jì)洪峰流量。通過設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算產(chǎn)流和匯流過程，進(jìn)而推求設(shè)計(jì)洪水流量。

本次根據(jù)新河下游河段以上的潭峪河、黃柏河山區(qū)河流特征，取設(shè)計(jì)暴雨歷時(shí)為6 h 進(jìn)行計(jì)算。從《西安市實(shí)用水文手冊》中查出設(shè)計(jì)流域幾何形心處歷時(shí)1 h、3 h、6 h 點(diǎn)雨量均值Ht和變差系數(shù)CV，計(jì)算不同頻率相應(yīng)的Kp值以及各頻率不同歷時(shí)的點(diǎn)暴雨值Htp。由于計(jì)算的流域面積小于50 km2，可以用點(diǎn)雨量代替面雨量；新河位于渭河南岸，不需進(jìn)行流域形狀改正。按《西安市實(shí)用水文手冊》設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程分配雨型，對流域設(shè)計(jì)暴雨進(jìn)行時(shí)程分配，得出設(shè)計(jì)暴雨過程。

新河流域?qū)儆谖己右阅希á蚰希﹨^(qū)屬蓄滿產(chǎn)流，利用暴雨徑流相關(guān)圖，用分時(shí)段查算的方法推求產(chǎn)流量。推理公式法在西安市渭河以南區(qū)域內(nèi)不扣除潛流，產(chǎn)流過程即為凈雨過程。采用《水文手冊》提供的推理公式圖解試算法進(jìn)行匯流計(jì)算，按式τ=0.278L/（mJαQβ）計(jì)算Qm～τ 曲線，由產(chǎn)流過程用公式Q=0.278Fh/t 計(jì)算Qm～t 曲線。兩線相交點(diǎn)的縱、橫坐標(biāo)值即為所求的地面徑流洪峰流量和匯流歷時(shí)。計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 潭峪河、黃柏河（山區(qū)）設(shè)計(jì)洪水推理公式法計(jì)算成果表

3.2 平原區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

本次按《西安市實(shí)用水文手冊》中“第五章 暴雨及城鎮(zhèn)暴雨”中給出的公式計(jì)算平原區(qū)潭峪河、黃柏河設(shè)計(jì)洪水，公式為：

式中：Q 為設(shè)計(jì)流量，m3/s；i1為設(shè)計(jì)雨強(qiáng)，mm/h；F 為匯流面積，km2；φ 為徑流系數(shù)。平原區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果見表6。

表6 潭峪河、黃柏河（平原區(qū)）設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表

3.3 設(shè)計(jì)洪水合理性分析

將各種方法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果匯總，見表7。

表7 100 年一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰流量計(jì)算成果匯總表 單位：m3/s

由表7 可知，水文比擬法和推理公式相差不大，經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算結(jié)果最小。由于潭峪河、黃柏河山區(qū)以上集水面積與參證站集水面積相差較大，計(jì)算結(jié)果僅供參考；經(jīng)驗(yàn)公式法只與流域面積有關(guān)，未考慮各河流的差異。推理公式法根據(jù)流域降雨，通過產(chǎn)流、匯流、考慮了不同河流流域面積、河流長度、河流比降、下墊面等條件的影響，計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果更為合理。潭峪河、黃柏河不同頻率設(shè)計(jì)洪水成果見表8。

表8 潭峪河、黃柏河100 年一遇設(shè)計(jì)洪水成果表

3.4 新河下游河段設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析

3.4.1 匯流歷時(shí)

根據(jù)前面的計(jì)算，已知潭峪河和黃柏河100 年一遇設(shè)計(jì)洪水及山區(qū)洪水的匯流歷時(shí)?？紤]潭峪河和黃柏河的洪峰流量主要來源于山區(qū)洪水，本次計(jì)算將潭峪河和黃柏河100 年一遇的設(shè)計(jì)洪水，采用山區(qū)洪水匯流歷時(shí)進(jìn)行五點(diǎn)概化，然后將潭峪河洪水從馬家河村斷面?zhèn)鞑ブ另n其寨匯合口，將黃柏河洪水從環(huán)山路斷面?zhèn)鞑ブ另n其寨匯合口，二者過程疊加作為新河下游河段處的設(shè)計(jì)洪水過程線，疊加后的洪峰流量即為新河下游河段的設(shè)計(jì)洪峰流量。根據(jù)河道匯流長度、平均流速，計(jì)算出潭峪河洪水洪峰流量從馬家河村斷面?zhèn)鞑サ巾n其寨匯合口的區(qū)間匯流時(shí)間為1.50 h，黃柏河洪水洪峰流量從環(huán)山路斷面?zhèn)鞑サ巾n其寨匯合口的區(qū)間匯流時(shí)間為3.24 h。

3.4.2 設(shè)計(jì)洪水過程推求

潭峪河洪水和黃柏河洪水均采用五點(diǎn)概化過程，根據(jù)《西安實(shí)用水文手冊》所提供的設(shè)計(jì)洪水過程形狀系數(shù)，計(jì)算各個(gè)特征點(diǎn)，各形狀系數(shù)見表9。

表9 五點(diǎn)概化設(shè)計(jì)洪水過程線形狀系數(shù)

潭峪河和黃柏河的洪水過程線分別加上區(qū)間匯流時(shí)間，在韓其寨匯合口錯(cuò)峰疊加成果見表10 和圖2。

表10 潭峪河、黃柏河及兩者交匯后100 年一遇設(shè)計(jì)洪水過程線成果表

圖2 潭峪河、黃柏河及兩者交匯后100 年一遇設(shè)計(jì)洪水過程線

經(jīng)查疊加后的設(shè)計(jì)洪水過程線圖，得新河下游河段100 年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為333 m3/s。

4 結(jié)語

通過對新河下游河段設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行計(jì)算，并對相應(yīng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性分析，確定了該段河道100 年一遇的設(shè)計(jì)洪水流量。本文介紹的設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算方法，思路清晰，概念明確，符合新河洪水產(chǎn)匯流運(yùn)動及演進(jìn)規(guī)律，可以采用該方法計(jì)算出不同頻率下的設(shè)計(jì)洪水，其成果可以作為新河下游河道治理等工程設(shè)計(jì)洪水的依據(jù)。