考慮水庫(kù)調(diào)洪作用的雞龍河治理工程設(shè)計(jì)洪水推求

馮文剛

(北京中水利德科技發(fā)展有限公司，北京 100000)

0 引 言

河道治理工程的一個(gè)重要作用是改善河道行洪作用，保障河道沿線(xiàn)居民生產(chǎn)生活安全的重要民生工程[1-3]。因此，確定河道的設(shè)計(jì)洪水參數(shù)是十分重要的，可為河道堤防工程、護(hù)岸工程設(shè)計(jì)提供參考。

雞龍河，又名高榆河，是沭河一級(jí)支流，位于莒南縣境西部，流經(jīng)莒南縣的澇坡、十字路街道、板泉、嶺泉等鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道，全長(zhǎng)37.9km，流域面積307.5km2，在板泉的大白常村北入沭河，河道平均比降1.78‰。雞龍河流域北高南低，東高西低，源頭高程450m，河口高程70.2m。

1 設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)及雨量資料

暴雨是造成本流域洪水的主要原因。形成暴雨的天氣系統(tǒng)，主要為有鋒面、氣旋、臺(tái)風(fēng)、倒槽等。雞龍河屬雨洪河流，降雨年際變化大，汛期水流湍急，旱季河水?dāng)嗔?，徑流年?nèi)隨季節(jié)變化明顯，6-9月份徑流量占年徑流量的87.2%，年際變化顯著，存在連續(xù)干旱，連續(xù)豐水的特點(diǎn)，多年平均徑流量9391萬(wàn)m3，干枯年為3078萬(wàn)m3。

由于雞龍河河道上無(wú)水文測(cè)站，缺乏實(shí)測(cè)流量資料，雞龍河的洪水是由暴雨形成的，故由暴雨資料間接推求設(shè)計(jì)洪水。雞龍河流域上游有一座中型水庫(kù)，為方便計(jì)算將雞龍河流域各斷面設(shè)計(jì)洪水分成上游水庫(kù)區(qū)間、庫(kù)下區(qū)間兩個(gè)計(jì)算單元進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)設(shè)計(jì)暴雨和設(shè)計(jì)洪水同頻率，利用水量平衡原理進(jìn)行地區(qū)洪水組成。推求各控制斷面設(shè)計(jì)洪水時(shí)，假定全流域與區(qū)間發(fā)生同頻率的暴雨，分別計(jì)算各匯流單元設(shè)計(jì)凈雨及設(shè)計(jì)洪水，將庫(kù)下區(qū)間設(shè)計(jì)洪水同庫(kù)上入庫(kù)洪水調(diào)洪演算得到下泄洪水過(guò)程進(jìn)行錯(cuò)時(shí)段疊加，求得控制斷面的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程。

1.1 設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-2014)、《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2017)、《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)，確定龍王河堤防工程按20a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，排澇按10a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，施工導(dǎo)流洪水標(biāo)準(zhǔn)按非汛期5a一遇。

1.2 雨量資料的選取

1)雨量站的選取

雞龍河流域內(nèi)有石泉湖站，故本次洪水計(jì)算選用石泉湖雨量站降雨觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行分析計(jì)算。

2)設(shè)計(jì)雨期的確定

本次雞龍河治理段，洪水多由24h暴雨形成，起控制作用的洪水也是由24h暴雨形成的。因此計(jì)算設(shè)計(jì)洪水的設(shè)計(jì)雨期確定為24h。

1.3 雨量資料審查

1)可靠性

本次選用的石泉湖雨量站的降水量資料觀(guān)測(cè)完整，均經(jīng)省水文總站整編驗(yàn)收，符合《降水量觀(guān)測(cè)規(guī)范》的基本要求，因此采用的資料系列是可靠的。

圖1 雞龍河流域各雨量站分布位置圖

2)一致性

由于降雨資料本身受人類(lèi)活動(dòng)影響較小，本次計(jì)算采用降雨資料間接推求設(shè)計(jì)洪水，能夠保證資料系列的一致性。

3)系列代表性

本次所采用的樣本系列具有63年實(shí)測(cè)資料，最大24h面雨量為293.8mm，最小24h面雨量為41.3mm，最大值是最小值的7倍多；系列中豐水年、枯水年和平水年分布比較合理。因此本次計(jì)算所采用的資料系列具有較好的代表性，系列長(zhǎng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求。因此本次計(jì)算資料系列具有較好的代表性。

綜上所述，所選擇的雨量資料具有可靠性、一致性和代表性，故選用石泉湖雨量站降雨觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行分析計(jì)算。

2 設(shè)計(jì)雨量計(jì)算及時(shí)程分配

2.1 設(shè)計(jì)雨量

根據(jù)石泉湖雨量站降雨觀(guān)測(cè)資料，采用算術(shù)平均法計(jì)算逐年的點(diǎn)雨量進(jìn)行分析計(jì)算。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 雞龍河年最大24h面雨量成果表

將統(tǒng)計(jì)資料組成年最大24小時(shí)面雨量資料系列進(jìn)行頻率和統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算。

計(jì)算公式：

(1)

(2)

(3)

式中：Pm資料系列中第m項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率；m資料系列序位；n資料系列項(xiàng)數(shù)；X面雨量。

圖2 雞龍河流域最大24h降雨量頻率曲線(xiàn)

2.2 凈雨時(shí)程分配

1)降雨徑流關(guān)系

本次設(shè)計(jì)凈雨計(jì)算上游水庫(kù)位于山丘區(qū)，凈雨計(jì)算采用采用《山東省中小河流治理工程初步設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算指導(dǎo)意見(jiàn)》中1號(hào)線(xiàn)；下游庫(kù)下區(qū)間山丘區(qū)采用1號(hào)線(xiàn)，平原區(qū)采用10號(hào)線(xiàn)。

2)設(shè)計(jì)凈雨計(jì)算

庫(kù)下區(qū)間設(shè)計(jì)凈雨計(jì)算采用山丘平原混合區(qū)計(jì)算，庫(kù)下區(qū)間平原區(qū)所占比例為70%。計(jì)算公式為：R混=R山-k(R山-R平)(4)

水庫(kù)匯流單元相應(yīng)頻率的雨量按照全流域徑流總量守恒來(lái)控制，經(jīng)計(jì)算各控制斷面設(shè)計(jì)凈雨如表2所示。

圖3 P+Pa-R關(guān)系曲線(xiàn)

表2 各設(shè)計(jì)斷面凈雨深

3 設(shè)計(jì)凈雨時(shí)程分配

本次設(shè)計(jì)凈雨時(shí)程分配采用了《山東省中小河流治理工程初步設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算指導(dǎo)意見(jiàn)》的“泰沂山南區(qū)一小時(shí)雨型”。

各設(shè)計(jì)斷面凈雨時(shí)程分配見(jiàn)表3。

表3 泰沂山南區(qū)1h雨型

3 考慮設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(xiàn)推求及合理性分析

3.1 設(shè)計(jì)洪水過(guò)程推求

3.1.1 匯流計(jì)算方法

本次匯流計(jì)算采用山東省綜合瞬時(shí)單位線(xiàn)參數(shù)綜合方程，該方程是根據(jù)近幾年實(shí)測(cè)較大雨洪資料率定分析求得，有較好的代表性。

一般山丘區(qū)公式如下：

m1=CF0.33J-0.27R-0.20Tc0.17

(5)

m2=0.34m1-0.12

(6)

式中：m1、m2為瞬時(shí)單位線(xiàn)參數(shù)，m1=nk，m2=1/n；C為地區(qū)系數(shù)F集水面積，km2；J為河道平均坡度；R為凈雨量，mm；Tc為凈雨歷時(shí)，h。

已知各區(qū)間流域的F、J、R、Tc，代入公式(5)求得m1后，根據(jù)瞬時(shí)單位線(xiàn)參數(shù)與1小時(shí)單位線(xiàn)關(guān)系，疊加進(jìn)行匯流計(jì)算。

3.1.2 設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(xiàn)的推求

1)各控制斷面洪水過(guò)程

對(duì)白馬溝河口-石泉湖水庫(kù)區(qū)間、石溝河口-石泉湖水庫(kù)區(qū)間、劉莊閘-石泉湖水庫(kù)區(qū)間設(shè)計(jì)洪水采用山東省山丘區(qū)綜合瞬時(shí)單位線(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)凈雨進(jìn)行匯流計(jì)算，求得各計(jì)算單元上產(chǎn)生設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(xiàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 各控制斷面洪水過(guò)程

2)水庫(kù)調(diào)洪

根據(jù)石泉湖水庫(kù)1996-2016年8月16日水位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到石泉湖水庫(kù)東庫(kù)多年平均汛中水位為118.8m，西庫(kù)多年平均汛中水位為124.1m。石泉湖水庫(kù)具體指標(biāo)見(jiàn)表4。

圖5 石泉湖水庫(kù)多年平均訊中水位統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4 石泉湖水庫(kù)指標(biāo)

由表4可知，石泉湖水庫(kù)東庫(kù)多年平均汛中水位與興利水位還有1768.4萬(wàn)m3，而石泉湖水庫(kù)總控制流域面積為72km2，發(fā)生20年一遇洪水時(shí)，最大相應(yīng)洪量為1240萬(wàn)m3。該洪量全部進(jìn)入石泉湖東庫(kù)，東庫(kù)也未蓄至興利水位。因此20年一遇設(shè)計(jì)洪水條件下石泉湖水庫(kù)不泄洪。

3)各控制斷面設(shè)計(jì)洪量

由于石泉湖庫(kù)不泄洪，因此各控制斷面設(shè)計(jì)流量見(jiàn)表5。

表5 雞龍河各控制斷面20a一遇設(shè)計(jì)流量

3.2 設(shè)計(jì)洪水合理性分析

2012年7月，山東省臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院編制完成《山東省莒南縣雞龍河治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，治理范圍為縣城隆山路起至下游9.3km(中泓樁號(hào)11+050-20+350)，河道治理長(zhǎng)度9.3km，治理段筵濱河河口以上干流斷面20a一遇設(shè)計(jì)洪水流量為660m3/s，塔巷河河口以上干流斷面20a一遇設(shè)計(jì)洪水流量為397m3/s，山東省水利廳以魯水發(fā)規(guī)字[2012]139號(hào)文“關(guān)于莒南縣雞龍河治理工程初步設(shè)計(jì)的批復(fù)”對(duì)初步設(shè)計(jì)進(jìn)行了批復(fù)。

本次治理段緊接2012年治理段，位于2012年治理段下游。2012年設(shè)計(jì)洪水成果根據(jù)流域內(nèi)的石泉湖、陡山及相鄰流域的相邸共3處雨量站實(shí)測(cè)年最大24h暴雨資料，采用算術(shù)平均法計(jì)算1951-2010年面雨量系列；采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法計(jì)算20a一遇設(shè)計(jì)面雨量；設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)程分配采用泰沂山南區(qū)1h雨型；凈雨采用降雨徑流關(guān)系1號(hào)線(xiàn)查算；匯流采用瞬時(shí)單位線(xiàn)綜合公式計(jì)算；并考慮了石泉湖水庫(kù)的蓄洪、滯洪作用。

而本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，采用石泉湖雨量站單站計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨，通過(guò)點(diǎn)面轉(zhuǎn)化求得設(shè)計(jì)面雨，設(shè)計(jì)凈雨的計(jì)算采用山區(qū)平原混合區(qū)公式進(jìn)行計(jì)算，這也與實(shí)際情況是相符合的。雞龍河山區(qū)主要集中在石泉湖水庫(kù)上游，而水庫(kù)下游平原區(qū)占的比例較大。本次計(jì)算成果白馬溝河口以上干流斷面20a一遇設(shè)計(jì)洪水流量為665m3/s，不低于2012年治理段筵濱河河口以上干流斷面20a一遇設(shè)計(jì)洪水成果。

綜上所述，本次設(shè)計(jì)洪水成果是合理的。

4 結(jié) 論

通過(guò)收集雨量站水文數(shù)據(jù)，充分考慮雞龍河流域范圍內(nèi)石象湖水庫(kù)的調(diào)洪作用，確定了雞龍河不同斷面的設(shè)計(jì)洪水流量。通過(guò)合理性分析，設(shè)計(jì)洪水流量參數(shù)較為合理。