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      洪水分析計(jì)算在新河灃西新城段河道劃界確權(quán)中的實(shí)例應(yīng)用

      2021-06-21 05:52:00王海強(qiáng)
      陜西水利 2021年5期
      關(guān)鍵詞:峪口新河洪峰流量

      馬 康,王海強(qiáng)

      (咸陽水文水資源勘測(cè)中心,陜西 咸陽712000)

      西咸新區(qū)新河灃西新城段目前基本為村莊和農(nóng)田,未來規(guī)劃為田園城市,沿岸人口稠密,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)。但該段河道多年來未經(jīng)治理,洪水災(zāi)害時(shí)有發(fā)生,與現(xiàn)狀全段新河治理工程不能形成完整的防洪體系。為貫徹落實(shí)“河長(zhǎng)制”減少洪水災(zāi)害,加強(qiáng)防洪基礎(chǔ)設(shè)施,促進(jìn)城市建設(shè),開展河道劃界確權(quán)工作。本次西咸新區(qū)新河灃西新城段劃界確權(quán)工作涉及水文分析計(jì)算主要是計(jì)算河道水面線。

      1 概況

      新河是渭河右岸一級(jí)支流,發(fā)源于秦嶺北麓淺山區(qū),自南向北流經(jīng)鄠邑區(qū)于咸陽市秦都區(qū)的釣魚臺(tái)街辦鑿齒村進(jìn)入西咸新區(qū),經(jīng)曹家莊、王道村,于馬家寨村入渭河。新河主河道長(zhǎng)40 km,流域面積303.8 km2,平均比降8.5‰。新河上游由檀峪河、曲峪河、化羊峪、黃柏峪、鳥桑溝、四岔溝和三岔溝等支流組成,山區(qū)、半山區(qū)面積僅51.4 km2,其余面積為平原地區(qū)。秦嶺山區(qū)大部分地區(qū)被森林覆蓋,植被良好,山區(qū)河谷狹窄,山勢(shì)險(xiǎn)峻,河床比降大,水流湍急;峪口以下為渭河川地,河谷相對(duì)開闊,土地肥沃,農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)。

      新河上游山區(qū)、半山區(qū)(爐丹村段上游)河道長(zhǎng)12.76 km,流域面積為51.4 km2,河道平均比降67.4‰;中下游平原區(qū)(爐丹村段下游)河道長(zhǎng)27.24 km,流域面積為252.4 km2,河道平均比降1.34‰。

      2 設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算

      2.1 水文資料的“三性”分析

      (1)可靠性分析

      澇峪口水文站選用1944年~2018年年最大洪峰流量資料,均為水文年鑒整編成果,測(cè)站測(cè)驗(yàn)河段順直,斷面基本穩(wěn)定,中低水采用流速儀測(cè)流,高水采用均勻浮標(biāo)測(cè)流。經(jīng)查閱幾場(chǎng)大水實(shí)測(cè)流量資料,洪水過程控制完整,中泓浮標(biāo)符合規(guī)范要求,浮標(biāo)系數(shù)采用合理,選用的年最大流量系列資料連續(xù),數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

      (2)一致性分析

      資料一致性是指一個(gè)系列不同時(shí)期的資料成因應(yīng)相同。水文頻率計(jì)算洪水資料必須具有一致性,也就是各年洪水的流域產(chǎn)流、匯流條件應(yīng)保持基本相同。當(dāng)流域內(nèi)修建水庫、跨流域引水、分洪等工程及水文站遷移都會(huì)影響洪水資料的一致性。

      澇峪口水文站以上流域內(nèi)未建大中型水利工程,有小型水電站工程一處,對(duì)洪水過程無調(diào)節(jié),因此人類活動(dòng)對(duì)洪水系列的影響很??;澇峪口水文站斷面雖經(jīng)幾次遷移,但遷移距離較小,流域面積相差未超過5%,且無支流匯入,因此年最大洪峰流量系列具有較好的一致性。

      (3)代表性分析

      點(diǎn)繪年最大洪峰流量歷時(shí)曲線和差積曲線,分別見圖1和圖2,從圖中可以看出:在75年的系列中有2個(gè)連續(xù)的豐水時(shí)段(分別是1946年~1958年、1978年~1988年),2個(gè)連續(xù)的枯水時(shí)段(1966年~1976年、1992年~1998年),且系列中包含有豐水年組、平水年組和枯水年組以及豐、平、枯水年。隨著系列的增加,系列的均值趨于穩(wěn)定。因此所選用的年最大洪峰流量資料具有較好的代表性。

      圖1 澇峪口站年最大洪峰流量歷時(shí)曲線圖

      圖2 澇峪口站年最大差積曲線圖

      正逆序累加計(jì)算洪峰流量系列的均值,并點(diǎn)繪其過程線見圖3,從圖3可以看出:隨著系列的增長(zhǎng),均值趨于穩(wěn)定,均值穩(wěn)定在158 m3/s左右,表明洪峰流量系列具有較好的代表性。

      圖3 澇峪口站年最大流量累計(jì)均值正逆序系列曲線圖

      2.2 歷史洪水調(diào)查

      歷史調(diào)查和實(shí)測(cè)特大洪水見表1。

      表1 澇峪口水文站歷史調(diào)查和實(shí)測(cè)特大洪水統(tǒng)計(jì)表

      根據(jù)澇峪口水文站1944年~2018年共75年實(shí)測(cè)洪水洪峰流量資料加入1898年調(diào)查洪水,按不連續(xù)系列計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率。頻率計(jì)算時(shí),將歷史調(diào)查1898年洪水和實(shí)測(cè)系列1957年洪水作為特大值處理。

      2.3 頻率計(jì)算

      按照《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》(SL 44-2006)推薦的方法,依據(jù)不連續(xù)系列計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率,其計(jì)算公式如下:

      a個(gè)特大洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率為:

      n-1個(gè)連續(xù)洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率為:

      式中:Pm、PM為經(jīng)驗(yàn)頻率;m、M分別為連續(xù)系列、歷史特大值排列序號(hào);n、N分別代表連續(xù)系列年數(shù)、歷史特大值首項(xiàng)重現(xiàn)期。

      式中:Qi、Qj分別代表連續(xù)系列和特大值系列中的樣本;a、n分別代表特大值樣本個(gè)數(shù)和實(shí)測(cè)系列的樣本個(gè)數(shù)。采用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)適線,適線總原則是:盡量使理論頻率曲線通過經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)的中心位置,側(cè)重考慮曲線與上部和中部較可靠的大水點(diǎn)據(jù)吻合。

      根據(jù)澇峪口站1944年~2018年75年洪峰流量,加入1898年調(diào)查洪水按不連續(xù)系列進(jìn)行頻率計(jì)算,以矩法初估計(jì)參數(shù),采用P-Ⅲ型曲線適線,頻率曲線適線結(jié)果見圖4和表2。

      圖4 澇峪口水文站洪峰流量頻率曲線圖

      表2 澇河澇峪口站年最大洪峰流量頻率計(jì)算成果表

      2.4 設(shè)計(jì)洪水成果合理性分析

      本次計(jì)算成果與澇河已有規(guī)劃或工程報(bào)告計(jì)算成果比較,見表3。

      表3 澇峪口站洪水頻率計(jì)算成果比較表 單位:m3/s

      本次計(jì)算設(shè)計(jì)洪水依據(jù)澇河澇峪口水文站從建站到2018年75年資料系列,通過表3可以看出本次計(jì)算成果與《澇河治理規(guī)劃》《澇河環(huán)山路至戶祖路防洪工程》《澇河石井至天橋重點(diǎn)段防洪》《澇河天橋鎮(zhèn)、甘亭鎮(zhèn)段防洪堤防工程初步設(shè)計(jì)》等已有成果接近,計(jì)算所用資料系列長(zhǎng)度相近,計(jì)算成果基本一致,分析認(rèn)為本次計(jì)算成果是合理的。綜合考慮本次計(jì)算成果與省水利廳批復(fù)的《澇河天橋鎮(zhèn)、甘亭鎮(zhèn)段防洪堤防工程初步設(shè)計(jì)》中計(jì)算成果比較接近,因此以水利廳批復(fù)的《澇河天橋鎮(zhèn)、甘亭鎮(zhèn)段防洪堤防工程初步設(shè)計(jì)》中100年、50年、30年、20年和10年一遇洪峰流量成果作為采用成果。

      2.5 新河灃西新城段設(shè)計(jì)洪峰流量

      鑒于新河流域未設(shè)立水文測(cè)站,也無實(shí)測(cè)水文資料,因此,新河流域設(shè)計(jì)洪水采用3種方法計(jì)算:一是水文比擬法;二是經(jīng)驗(yàn)公式法;三是由暴雨推求設(shè)計(jì)洪水(推理公式法)。

      新河流域中下游為平原區(qū),地勢(shì)平坦且大部分為農(nóng)田,其產(chǎn)流條件較差,再考慮到平原區(qū)的槽蓄作用,新河下游的洪水主要來源于山區(qū)洪水。故本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí)有效產(chǎn)流面積采用上游山區(qū)、半山區(qū)流域面積51.4 km2。

      (1)水文比擬法

      根據(jù)《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》經(jīng)驗(yàn)公式分區(qū)圖可知,新河流域采用澇峪口站設(shè)計(jì)洪峰流量比擬。

      計(jì)算公式為:

      式中:Qm設(shè)、Qm參為分別為設(shè)計(jì)站和參證站洪峰流量,m3/s;A設(shè)、A參為分別為設(shè)計(jì)站和參證站集水面積,km2;n為指數(shù)(設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)控制面積差小于5%時(shí),n取1.0;設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)控制面積差大于5%~7%時(shí),n取0.67)取0.67。

      表4 洪峰流量水文比擬法設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表

      (2)經(jīng)驗(yàn)公式法

      根據(jù)《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式適用范圍可知,新河洪峰流量計(jì)算可以采用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式。

      計(jì)算公式:

      式中:QN為重現(xiàn)期為N的設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s;KN為重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗(yàn)參數(shù);F為設(shè)計(jì)流域面積,km3;n為指數(shù)。

      公式中的參、指數(shù)KN、n值,從《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》中查得。根據(jù)河道所在位置,其采用值見表5。

      經(jīng)計(jì)算,新河干流成果見表6。

      表5 地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法相關(guān)參數(shù)表

      表6 洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式法設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表

      (3)推理公式法

      根據(jù)暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水,是缺乏實(shí)測(cè)流量資料的中、小流域計(jì)算設(shè)計(jì)洪水最常用的一種方法。依據(jù)《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》提供的方法和有關(guān)參數(shù),由設(shè)計(jì)暴雨推求各河段控制斷面及支流的設(shè)計(jì)洪峰流量。

      新河峪口以下為平原區(qū),地勢(shì)平坦且大部分為農(nóng)田,其產(chǎn)流條件較差,再考慮到平原區(qū)的槽蓄作用,故同期下游的洪水主要來源于山區(qū)洪水。本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí)采用上游山區(qū)、半山區(qū)流域面積51.4 km2。暴雨是形成洪水的主要因素,在假定設(shè)計(jì)暴雨與設(shè)計(jì)洪水的頻率相應(yīng)和暴雨全面積籠罩的前提下,分析產(chǎn)流和匯流過程,進(jìn)而推求設(shè)計(jì)洪峰流量。

      表7 不同重現(xiàn)期的洪水流量及匯流時(shí)間表

      (4)選用方法的合理性分析

      水文比擬法采用澇峪口水文站實(shí)測(cè)洪水系列資料,新河灃西新城段以上流域面積與參證站控制流域面積超過±20%,采用《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》方法計(jì)算已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)在水資源量計(jì)算,依據(jù)提供的經(jīng)驗(yàn)公式法、暴雨資料推求等方法,考慮到經(jīng)驗(yàn)公式法使用參數(shù)較少,成果精度相對(duì)較低;推理公式法雖然參數(shù)多,但是由于采用《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》時(shí)間過早,現(xiàn)在的流域下墊面及基本情況有所變化,計(jì)算出來數(shù)據(jù)與實(shí)際差異大,因此對(duì)于設(shè)計(jì)洪水采用推理公式法計(jì)算的成果可以根據(jù)實(shí)際情況采用。以上方法計(jì)算出來的數(shù)據(jù)出入較大,采用水文站實(shí)測(cè)資料進(jìn)行比較,控制流域面積的水文站計(jì)算出的支流及相近河流的洪峰流量較為可靠,其結(jié)果是比較接近真實(shí)值,目前采用面積比擬法比較精確。

      (5)采用成果

      本次設(shè)計(jì)洪水不僅采用多種計(jì)算方法,而且對(duì)不同成果進(jìn)行對(duì)比分析,選用面積比擬法計(jì)算成果最為可靠,可以參考推理法,選取切合實(shí)際的洪水量,因此可以認(rèn)為本次設(shè)計(jì)洪水采用值合理、可靠,可以作為本次河道行洪能力分析計(jì)算的依據(jù)。計(jì)算結(jié)果及本次設(shè)計(jì)采用值見表8。

      表8 新河灃西新城段設(shè)計(jì)不同頻率洪水計(jì)算采用成果匯總表

      3 設(shè)計(jì)洪水水位計(jì)算

      3.1 水面線計(jì)算公式

      使用曼寧公式計(jì)算起始斷面水位~流量關(guān)系,得到起始斷面設(shè)計(jì)洪水位,再使用恒定非均勻流方程法推求設(shè)計(jì)水面線。

      1)計(jì)算水面線用到的公式如下。

      起始斷面水位~流量關(guān)系,采用曼寧公式:

      式中:Q為流量;A為斷面面積;n為糙率;R為水力半徑;i為水面比降。

      2)本次現(xiàn)狀河道設(shè)計(jì)洪水水面線推求采用工程實(shí)踐中常用的水力學(xué)法推求河道水面曲線。即先根據(jù)河道斷面實(shí)測(cè)成果、比降、糙率等資料確定起始邊界條件,然后用恒定非均勻流公式,由下游至上游逐斷面推算斷面水位。

      恒定非均勻流公式,其方程為:

      式中:Zu、Zd分別為上、下游斷面水位;Q為斷面流量;Δs為斷面間距;Ku、Kd分別為上、下游斷面流量模數(shù);α為動(dòng)能修正系數(shù);ξ為局部水頭損失系數(shù)。

      流量模數(shù)的計(jì)算公式為:

      式中:n為斷面處河床糙率;A為斷面面積;R為水力半徑。

      3.2 水面線計(jì)算有關(guān)參數(shù)的確定

      3.2.1 糙率確定

      按照現(xiàn)場(chǎng)查勘河床及灘地組成,參考澇峪口站測(cè)糙率資料和《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》(黃河流域)以及《水力計(jì)算手冊(cè)》,并結(jié)合新河現(xiàn)狀河道基本情況,新河(灃西新城段)兩岸均有堤防的河段糙率取值0.032,無堤防河段主槽內(nèi)糙率取值0.034。

      3.2.2 比降確定

      根據(jù)實(shí)測(cè)河道縱斷面數(shù)據(jù)確定比降J。其中J值按下式計(jì)算:

      式中:Z0、Z1、Z2…Zn為自出口斷面起沿河道各特征點(diǎn)高程,m;L1、L2…Ln為各特征點(diǎn)間的距離,m;L為主河道總長(zhǎng)度,m。

      本次新河河段各斷面區(qū)間比降計(jì)算結(jié)果均在2.21‰~6.74‰之間。

      3.3 選定水面線標(biāo)準(zhǔn)及成果

      (1)防洪標(biāo)準(zhǔn)

      依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201-2014)、《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013),并結(jié)合《西安灃渭新區(qū)河道綜合治理規(guī)劃》的審查意見,渭河采用重現(xiàn)期為100年的防洪標(biāo)準(zhǔn),相應(yīng)洪峰流量9700 m3/s。新河主要為灃西新城的工業(yè)及居住用地,保護(hù)面積11.25 km2,采用重現(xiàn)期為50年的防洪標(biāo)準(zhǔn),相應(yīng)洪峰流量223 m3/s。

      (2)選定水面線成果

      本次在新河灃西新城河段共施測(cè)了27條河道橫斷面、1條縱斷面。其中橫斷面編號(hào)從上到下依次為K0+0.000~K12+686.2。因?yàn)樾潞訛栁餍鲁呛佣尾婚L(zhǎng),選用K12+686.2斷面作為水面線計(jì)算的起始斷面,利用曼寧公式計(jì)算起始斷面水位~流量關(guān)系,得到各斷面設(shè)計(jì)洪水位,并繪制出50年一遇水面線圖,分別見表9和圖5。

      表9 新河河段50年洪水水力要素成果表

      圖5 新河灃西新城段50年一遇洪水水面線圖

      4 結(jié)語

      新河灃西新城段堤防存在有堤防段河段和無堤防河段,管理范圍線為堤頂線,保護(hù)范圍線為管理范圍線外10 m。新河上游河段河道相對(duì)較窄,斷面寬度較小,兩岸多為基本農(nóng)田和道路,因此管理范圍線為設(shè)計(jì)洪水位或者陡坎邊線,為灃西西城重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域,有條件設(shè)置護(hù)岸地的河段,按照設(shè)計(jì)洪水位以外20 m作為管理范圍線,保護(hù)范圍線為管理范圍線外10 m。

      經(jīng)分析計(jì)算確定了各施測(cè)斷面的洪水位,為河道劃界確權(quán)的范圍確定提供準(zhǔn)確數(shù)理依據(jù)。

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