中小河流水面線推算成果驗(yàn)證方法探討

譚鑒利，王海元

1.廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610

2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010

設(shè)計(jì)水面線對(duì)水利工程設(shè)計(jì)方案、工程規(guī)模、工程量、征（占）地、工程投資的影響較大。河道水面線推算受河道縱橫斷面、設(shè)計(jì)洪水、涉河建筑物、糙率、起推水位、洪水遭遇、計(jì)算模型等因素的影響，為了避免計(jì)算結(jié)果失真，需驗(yàn)證水面線推算成果。一般中小河流為無(wú)資料地區(qū)，歷史洪水調(diào)查是驗(yàn)證設(shè)計(jì)水面線的可行方法。按照水文調(diào)查規(guī)范進(jìn)行全面洪水調(diào)查的工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高。因此，文章根據(jù)中小河流保護(hù)對(duì)象的防洪標(biāo)準(zhǔn)，選擇同頻暴雨洪水進(jìn)行針對(duì)性調(diào)查。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可知，該方法簡(jiǎn)捷、高效、經(jīng)濟(jì)。

1 水面線推算方法

文章選擇HEC-RAS軟件計(jì)算河道水面線。

1.1 軟件介紹

HEC-RAS軟件是一個(gè)由美國(guó)工程水文中心開(kāi)發(fā)的河道水力計(jì)算程序，其計(jì)算結(jié)果已經(jīng)得到大量工程驗(yàn)證。HECRAS包括河道穩(wěn)定、非穩(wěn)定流的一維水力計(jì)算，能分析計(jì)算各種涉水建筑物水面線。

1.2 模型計(jì)算原理

（1）一維恒定流水面線計(jì)算基本原理為一維能量方程：

式中：Z1、Z2分別為上、下斷面河底高程；Y1、Y2分別為上、下斷面水深；v1、v2分別為上、下斷面平均流速；α1、α2分別為上、下斷面動(dòng)能修正系數(shù)；g為重力加速度；he為水頭損失，包括摩阻水頭損失、局部收縮擴(kuò)散水頭損失兩部分。

（2）橋梁壅水計(jì)算原理。在橋、涵等涉水建筑物建模方面，HEC-RAS主要考慮3項(xiàng)能量損失：①建筑物上游收縮能損；②由建筑物自身結(jié)構(gòu)，如橋墩、涵洞口、溢流面等造成的能量損失；③建筑物下游擴(kuò)散能損。

2 驗(yàn)證方法

根據(jù)中小河流保護(hù)對(duì)象的防洪標(biāo)準(zhǔn)，選擇同頻暴雨洪水進(jìn)行針對(duì)性調(diào)查，以設(shè)計(jì)水面線與調(diào)查洪痕點(diǎn)的擬合情況判斷成果的合理性。

2.1 設(shè)計(jì)暴雨確定

（1）頻率分析法。流域內(nèi)有長(zhǎng)系列面暴雨量資料時(shí)，按年最大選樣法組成各時(shí)段面暴雨量系列并審查代表性后，進(jìn)行頻率分析。經(jīng)驗(yàn)頻率公式為

式中：Pm為經(jīng)驗(yàn)頻率；m為序號(hào)；n為樣本容量。

頻率曲線采用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行適配線，確定暴雨均值、Cv、Cs等參數(shù)。設(shè)計(jì)面暴雨計(jì)算公式為

式中：Hp為設(shè)計(jì)面暴雨；H平均為暴雨均值；Kp為P-Ⅲ曲線模比系數(shù)。

（2）間接計(jì)算法。流域內(nèi)短缺面暴雨量資料時(shí)，采用間接計(jì)算法，先查算流域中心附近的設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨量，再按點(diǎn)-面關(guān)系間接計(jì)算設(shè)計(jì)面暴雨量[1]。流域所在地區(qū)基本已繪制暴雨參數(shù)等值線圖，按流域中心點(diǎn)位置可查取各歷時(shí)暴雨參數(shù)（均值、Cv、Cs等），查詢流域點(diǎn)-面轉(zhuǎn)換系數(shù)α，確定設(shè)計(jì)面暴雨，具體公式如下：

2.2 同頻率洪水調(diào)查

對(duì)中小河流，可進(jìn)行非固定點(diǎn)洪水調(diào)查，調(diào)查的主要內(nèi)容如下：（1）洪水發(fā)生的時(shí)間；（2）最高洪水位痕跡、洪水歷時(shí)及漲落變化情況；（3）河段發(fā)生洪水時(shí)的河床組成，灘地植被情況及沖淤變化情況；（4）施測(cè)洪痕高程、河道縱橫斷面、簡(jiǎn)易地形平面；（5）洪水來(lái)源、成因及組成情況；（6）與洪水相應(yīng)的流域降水情況；（7）與洪水有關(guān)的文獻(xiàn)文物的考證及影像資料；（8）洪峰流量、洪水總量和洪水過(guò)程的推算和分析[2]。

3 實(shí)例分析

3.1 流域概況

（1）河道。柏塘河位于廣東省博羅縣，是東江二級(jí)支流、公莊河一級(jí)支流，流域集水面積279.65km2。發(fā)源于楊村茶山，主流向大致從西向東，流經(jīng)柏塘鎮(zhèn)白嶺、黃新、陂頭、坳頭、山前、新陂、柏塘鎮(zhèn)區(qū)、石湖、楊村鎮(zhèn)塘角村、陳村、埔心，于楊村鎮(zhèn)區(qū)匯入公莊河。柏塘河流域集水面積279.65km2，干流河長(zhǎng)37.66km，干流坡降3.60‰。

（2）洪水特性。河道洪水主要由降雨匯流形成，每年4—9月為暴雨洪水期，年最大洪水主要集中在5、6月份。

3.2 設(shè)計(jì)水面線推算

（1）設(shè)計(jì)洪水。柏塘河無(wú)實(shí)測(cè)流量資料，設(shè)計(jì)洪水由設(shè)計(jì)暴雨推求。設(shè)計(jì)洪水采用廣東省綜合單位線法和推理公式法計(jì)算分析，最終采用廣東省綜合單位線方法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果[3]。柏塘河河口控制斷面10年一遇設(shè)計(jì)洪峰為982m3/s。

（2）斷面資料。文章推算河道水面線采用的斷面資料為2019年5月實(shí)測(cè)的河道縱橫斷面資料，計(jì)算斷面的選擇和間距充分考慮河道斷面形式、河道平面形態(tài)的變化和跨河建筑物的分布，選取斷面共90個(gè)，斷面間距100m，并考慮沿河水陂、橋涵的阻水作用。

（3）河道糙率。根據(jù)計(jì)算河段河床、岸坡等特征參考地區(qū)類似工程，糙率取0.033。

（4）起推水位。P=10%起推水位采用博羅縣公莊河治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告的水位成果。

（5）水面線計(jì)算結(jié)果。根據(jù)設(shè)計(jì)洪水、實(shí)測(cè)斷面、河道糙率、起推水位，采用HEC-RAS建立模型推算柏塘河水面線。

3.3 同頻洪水選擇

柏塘河無(wú)實(shí)測(cè)流量、水位系列資料，不能采用洪水系列資料P-Ⅲ適線查頻選定洪水典型年，因此文章假定設(shè)計(jì)暴雨與設(shè)計(jì)洪水同頻率，以暴雨量為依據(jù)選擇同頻洪水。

（1）歷史暴雨量調(diào)查。根據(jù)柏塘河沿岸居民、地方水利工作人員及相關(guān)洪水記錄反饋，洪水災(zāi)害較嚴(yán)重的年份為2005年、2014年、2019年。結(jié)合相關(guān)記錄，可得暴雨實(shí)測(cè)值，暴雨量調(diào)查表如表1所示。

表1 暴雨量調(diào)查表

（2）同頻洪水選擇。根據(jù)《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖（2003年）》可查取各歷時(shí)暴雨參數(shù)（均值、變差系數(shù)Cv等），由此可間接計(jì)算設(shè)計(jì)面暴雨，柏塘河設(shè)計(jì)面暴雨計(jì)算表如表2所示。

表2 柏塘河設(shè)計(jì)面暴雨計(jì)算表

2005年洪水發(fā)生于6月19日至22日，柏塘河流域內(nèi)分布較均勻的梅樹(shù)下、獨(dú)松、柏塘雨量站實(shí)測(cè)暴雨量平均值為362mm，與表2中設(shè)計(jì)面暴雨H72h（P=10%）353mm相近，該場(chǎng)次洪水發(fā)生時(shí)間、地區(qū)組成、洪水成因、洪水歷時(shí)等方面基本能代表柏塘河流域10年一遇洪水的特性，因此文章選取2005年洪水作為10年一遇典型洪水。

3.4 洪水調(diào)查驗(yàn)證

（1）2005年洪水調(diào)查。2006年4月，地方結(jié)合公莊河防洪治澇規(guī)劃要求，對(duì)2005年洪水進(jìn)行了調(diào)查。調(diào)查時(shí)間與洪水發(fā)生時(shí)間相隔不到一年，洪水痕跡明顯、可靠，具有代表性。柏塘河調(diào)查洪痕點(diǎn)3個(gè)，分別為金龍橋、大井、老圍，經(jīng)測(cè)量其洪痕高程分別為27.03m、28.23m、28.67m。

（2）水面線驗(yàn)證分析。2005—2019年，柏塘河研究河段控制集水面積、河寬、河道走勢(shì)基本不變，河床坡降基本不變，僅局部受沖淘或人類活動(dòng)影響有所下切。因此，2005年洪痕點(diǎn)基本可代表10年一遇洪水水面線。水面線對(duì)比分析表如表3所示，推算的水面線（P=10%）與2005年洪水洪痕點(diǎn)高程相差-0.04～0.22m，水位相差較小，說(shuō)明推算的水面線成果較合理，可滿足地方防洪排澇及發(fā)展建設(shè)方面的要求。

表3 水面線對(duì)比分析表

4 結(jié)束語(yǔ)

文章采用HEC-RAS軟件推算河道水面線，基本假定為設(shè)計(jì)暴雨與設(shè)計(jì)洪水同頻率，選擇同頻暴雨洪水進(jìn)行調(diào)查。由洪痕點(diǎn)驗(yàn)證可知，設(shè)計(jì)水面線推算成果合理。采用同頻暴雨洪水驗(yàn)證水面線的方法可行性和可靠性較高，并且高效、經(jīng)濟(jì)，可供類似中小河流參考。