蘭州新區(qū)四眼井沙溝設(shè)計洪水分析計算

毛 力，楊昌斌，王 振

（蘭州新區(qū)水務(wù)設(shè)計研究院有限公司，蘭州 蘭州新區(qū)730300）

蘭州新區(qū)是甘肅省管轄的國家級新區(qū)，也是我國西北地區(qū)第一個國家級新區(qū)，還是甘肅對外開放的重要窗口和門戶［1］。地處隴西黃土高原的西北部，南北長約73 km，東西寬約32 km，規(guī)劃總面積1744 km2，地理坐標為北緯36°17′15″～36°43′29″，東經(jīng)103°29′22″～103°49′46″［1］。

研究區(qū)域位于蘭州新區(qū)上川鎮(zhèn)以西，范圍包括秦王川盆地北部的構(gòu)造剝蝕低中山區(qū)和山前沖洪積扇，涉及的主要溝道為四眼井沙溝，該溝道發(fā)源于盆地北部的野雞嶺子山脈，流域范圍介于東經(jīng)103°26′～103°38′、北緯36°40′～37°00′之間，集水面積為125 km2，平均縱坡比降15.2‰，主河槽長度21.5 km。

蘭州新區(qū)無地表長流水，洪水主要是夏秋兩季多雨期強降雨匯流形成的山區(qū)洪水。四眼井沙溝主要導(dǎo)排來自新區(qū)西北山區(qū)溝道的洪水，承接著將上游來水注入劉家井水庫的作用，關(guān)乎下游主城區(qū)事、企業(yè)單位、人民生命財產(chǎn)安全。因此，研究四眼井沙溝流域洪水，不僅對劉家井水庫的建設(shè)、后期運營具有指導(dǎo)參考意義，還對蘭州新區(qū)北片區(qū)防洪對策的建設(shè)具有重要意義。

1 暴雨計算

暴雨參數(shù)利用《甘肅省暴雨特性研究》以及黃河干支流區(qū)主雨峰分配類型進行分析計算。1小時、3小時、6小時、24小時點雨量及值由等值線圖查得。點雨量、面雨量計算成果見表1、表2。產(chǎn)流期平均入滲率以甘肅黃土區(qū)平均入滲率公式計算，產(chǎn)流計算結(jié)果見表3。

表1 點雨量計算結(jié)果 單位：mm

表2 面雨量計算結(jié)果 單位：mm

表3 地面產(chǎn)流計算結(jié)果 單位：mm

2 洪水計算

2.1 瞬時單位線法

（1）計算原理

瞬時單位線是指流域上分布均勻、歷時趨于無窮?。处→0）、強度趨于無窮大、總量為一個單位的地面凈雨在流域出口斷面形成的地面徑流過程線。一個單位的瞬時入流通過n個水庫演進，即可導(dǎo)出瞬時單位線基本公式［2］。

式中：n為反應(yīng)流域調(diào)蓄能力的參數(shù)；K為線性水庫的蓄泄系數(shù)；Γ為伽馬函數(shù)，利用EXCEL內(nèi)置函數(shù)GAMMADIST計算。

表4 瞬時單位線參數(shù)地區(qū)綜合關(guān)系表

（2）計算參數(shù)選擇

研究區(qū)域按照甘肅黃土區(qū)經(jīng)驗公式計算。采用的瞬時單位線匯流參數(shù)計算參數(shù)見表5，計算成果見表6，圖1。

表5 瞬時單位線 匯流參數(shù)計算參數(shù)

表6 瞬時單位線法計算結(jié)果

圖1 計算成果圖

2.2 推理公式法

推理公式法被廣泛應(yīng)用于小流域暴雨洪水計算，公式中的參數(shù)具有明顯的地區(qū)性，考慮了不同流域參數(shù)的影響，反應(yīng)不同流域的實際情況，特別適用于流域面積30 km2～300 km2的情況［3］。

全面匯流tc≥τ計算公式：

式中：hτ表示連續(xù)τ時段內(nèi)的最大凈雨；tc為產(chǎn)流歷時；m為匯流參數(shù)，根據(jù)附近地區(qū)實測資料和《甘肅省水文圖集》查算；F為出口斷面以上流域面積，km2；L為出口斷面以上主溝道長度，km；J為溝道平均比降，‰；τ為匯流時間，h。匯流參數(shù)m=2.5h-0.623θ0.637，流域特征參數(shù)

推理公式法計算結(jié)果見圖2。推理公式法設(shè)計洪峰流量成果見表6。

圖2 各頻率推理公式法計算結(jié)果

表6 推理公式法設(shè)計洪峰流量計算結(jié)果

2.3 SCS-CN水文模型

2.3.1 模型原理

SCS模型產(chǎn)流計算公式［4］：

式中：P為降雨總量，mm；R為徑流量，mm；Ia為初損量，即徑流開始前的損失量，主要包括蒸發(fā)、植被截留、地表填洼蓄水等，mm；S為流域當時的最大可能滯留量，mm，它是后損量的上限；λ為初損系數(shù)，是一個無量綱區(qū)域參數(shù)且λ＞0。

由于S值的變化范圍很大，不便于取值，因此引入無因次參數(shù)CN來推求S。

CN是反映降雨前流域特征的綜合參數(shù)，反映流域前期土壤濕潤程度（AMC）、坡度、植被、土壤類型和土地利用狀況的綜合特性，可以較好地反映下墊面條件對產(chǎn)匯流過程的影響。

2.3.2 模型應(yīng)用

根據(jù)模型參數(shù)查表值，結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況，統(tǒng)籌考慮土壤類型、植被類型、降雨前后下墊面變化，CN值取77.3［5，6］，λ值取0.1298［5，6］。模型計算結(jié)果見表6。

表6 SCS-CN水文模型計算結(jié)果

3 計算結(jié)果分析

根據(jù)《蘭州新區(qū)總體規(guī)劃》和《蘭州新區(qū)防洪專項規(guī)劃（2011-2030）》，蘭州新區(qū)防洪工程保護對象蘭州新區(qū)為II等城市，結(jié)合蘭州新區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展需求，新區(qū)立足于建設(shè)現(xiàn)代化、高起點、高標準新區(qū)，最終確定蘭州新區(qū)防洪標準為100年一遇設(shè)計洪水標準。

因為蘭州新區(qū)無長系列水文資料，系無水文資料地區(qū)，也無常流態(tài)地表水，因此研究成果無法進行對比分析。通過運用《甘肅省暴雨特性研究》、黃河干支流區(qū)主雨峰分配類型等較為成熟的經(jīng)驗暴雨計算法，以及涉及下墊面變化、土壤類型、土地利用情況、土壤空間的不均勻性等優(yōu)點的SCS-CN水文模型計算法分別計算了研究區(qū)域產(chǎn)流量，即34.3 mm、37.8 mm，經(jīng)與皋蘭縣相同頻率年平均降雨量（427 mm）進行對比分析發(fā)現(xiàn)：兩組數(shù)據(jù)百年一遇產(chǎn)流量相差10.2%，相差程度較小，基本符合研究區(qū)域?qū)嶋H產(chǎn)流量。由于SCS-CN水文模型是美國相關(guān)部門在美國地區(qū)進行試驗所總結(jié)的經(jīng)驗公式，其計算參數(shù)的取值只適合美國本土土壤下墊面環(huán)境，雖然參考了目前較為成熟的相關(guān)研究成果，但該方法使用在研究區(qū)還是具有一定的局限性，因此研究推薦使用適合蘭州新區(qū)且較為成熟的經(jīng)驗暴雨計算法計算得到的成果，即34.3 mm。

基于單因素方差法，對瞬時單位線法、推理公式法計算的各降雨頻率成果進行平均值差異的顯著性分析，計算結(jié)果見表7。在置信度95%情況下，瞬時單位線法Prob值小于0.05、推理公式法的Prob值大于0.05，說明瞬時單位線法各降雨頻率計算值彼此之間差異性顯著，推理公式法各降雨頻率計算值彼此之間差異不顯著，即瞬時單位線法計算成果相對于推理公式法計算成果更符合實際降雨情況。同時考慮到研究區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)園區(qū)的不斷擴增擴產(chǎn)，為確保研究區(qū)域周邊防洪安全，洪峰流量計算成果宜選取相對較大計算方法。綜上所述，研究推薦采用瞬時單位線法計算得到的成果，即百年一遇洪峰流量532 m3/s。

表7 單因素方差分析法結(jié)果

4 結(jié)論

研究利用瞬時單位線法、推理公式法、SCS-CN水文模型法分別計算了劉家井水庫上游流域四眼井沙溝的匯流量、產(chǎn)流量，為蘭州新區(qū)今后區(qū)域防洪對策的建設(shè)提供一定的理論基礎(chǔ)。

（1）匯流量推薦采用瞬時單位線法計算結(jié)果，頻率為0.5%、1%、2%、5%、10%、20%、50%的洪峰流量分別為646 m3/s、532 m3/s、419 m3/s、288 m3/s、201 m3/s、128 m3/s、28.3 m3/s。

（2）產(chǎn)流量推薦采用《甘肅省暴雨特性研究》以及黃河干支流區(qū)主雨峰分配類型進行分析計算的結(jié)果，頻率為0.5%、1%、2%、5%、10%、20%、50%的區(qū)域產(chǎn)流量分別為42.2 mm、34.3 mm、26.7 mm、18.3 mm、12.7 mm、8.6 mm、2.0 mm。