推理公式法在沖洪積扇小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中的應(yīng)用

候宗民

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

沖洪積扇小流域基本都屬于無實(shí)測水文資料地區(qū)，水文界一直探討對無實(shí)測水文資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。常用采用的計(jì)算方法有推理公式法、產(chǎn)匯流調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)單位線法等，之后有其他研究人員也提出了一些簡化的經(jīng)驗(yàn)公式。隨著新疆水利工程建設(shè)推動，小流域洪水計(jì)算成為無實(shí)測水文資料地區(qū)工程水文分析的重點(diǎn)。本文采用山洪溝洪水調(diào)查、計(jì)算單元劃分及推理公式驗(yàn)證的方法分析工程所在小流域設(shè)計(jì)洪水，計(jì)算成果客觀符合實(shí)際，且計(jì)算方法實(shí)用易操作。

1 區(qū)域概況及洪溝分布

博爾塔拉河谷地由山前洪積傾斜平原和博爾塔拉河中游沖積階地組成，海拔自西部2000m以上，漸次下降到東部300m以下，由干旱草原、荒漠草原逐步過渡到荒漠。博爾塔拉河中游南側(cè)流域大面積為沖洪積扇區(qū)，在洪積扇末端形成眾多洪溝，而在沖洪積扇上游部分山區(qū)有無常流水河道，現(xiàn)場基本為干溝，在暴雨條件下，會形成洪水，并沿洪溝匯入博爾塔拉河干流，山區(qū)溝道植被條件較好，灌木叢沿溝道生長，作為當(dāng)?shù)啬撩竦那锛灸翀觥焖雇泻顾垂こ痰靥幉査幽习?，工程沿線受南側(cè)山區(qū)山洪溝洪水影響，洪水主要類型為暴雨型洪水。洪水具有陡漲陡落，峰高量小，歷時(shí)短，以及洪水過程呈單峰等特點(diǎn)。需要對工程南側(cè)上游山洪溝洪水范圍確認(rèn)及進(jìn)行相應(yīng)洪水調(diào)查。

2 山洪溝洪水調(diào)查與分析

洪水調(diào)查，依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在上游山區(qū)山洪溝出山口部位選擇合適斷面，開展典型山洪溝洪水調(diào)查工作；在工程沿線上游側(cè)的洪積扇上，選擇相對應(yīng)典型山洪溝匯流區(qū)域的洪水水道，以窮舉的方式開展工程沿線典型區(qū)域交匯處洪水調(diào)查工作。依據(jù)洪痕存儲條件，新舊程度，將近期洪水的調(diào)查作為此次洪水調(diào)查的重點(diǎn)。山區(qū)山洪溝出山口斷面選擇近期洪水的高痕與低痕，工程沿線與洪溝交匯的上游側(cè)洪水水道選擇近期洪水的高痕、中痕和低痕，作為近期洪水的定量依據(jù)?，F(xiàn)場實(shí)測溝道大斷面，實(shí)測溝段縱比降，并根據(jù)洪溝溝床組成，水道上下游狀況，現(xiàn)場擬定斷面糙率，作為斷面處洪水推流計(jì)算依據(jù)。

2.1 區(qū)塊劃分

依據(jù)該工程屬性將南側(cè)山洪溝劃分為引水渠、水庫庫區(qū)、輸水管道所對應(yīng)的3大區(qū)塊；依據(jù)上游區(qū)域洪水匯流的屬性差異，將3大區(qū)塊進(jìn)一步劃分為相應(yīng)的山區(qū)與洪積扇區(qū)，見表1。

表1 工程南側(cè)匯水區(qū)域區(qū)塊劃分面積統(tǒng)計(jì)表

2.2 山洪溝出山口洪水調(diào)查

根據(jù)1∶5萬地形圖，結(jié)合高清谷歌衛(wèi)星地圖，山區(qū)匯水區(qū)域根據(jù)地形圖分割為15個(gè)匯水單元，在出山口區(qū)域根據(jù)現(xiàn)場情況選擇了人類活動干擾較小、溝道相對順直的溝段作為調(diào)查溝段，并選取適宜于洪水調(diào)查的測量斷面，分別編號1～15#。本次根據(jù)調(diào)查現(xiàn)場實(shí)際情況和交通道路條件，最終對2～5#、11～15#共計(jì)9個(gè)出山口斷面進(jìn)行了測量，在現(xiàn)場選擇了同時(shí)具有“低痕”和“高痕”的位置設(shè)置橫斷面，并進(jìn)行大斷面測量，在現(xiàn)場初步確定斷面糙率，見表2。經(jīng)過內(nèi)業(yè)工作確認(rèn)，“低痕”對應(yīng)2020年7月27日博樂站最大日降水20mm形成的洪水。

表2 出山口測量斷面“低痕”計(jì)算參數(shù)表

根據(jù)斷面處調(diào)查情況和下墊面條件，合理調(diào)整現(xiàn)場初定的斷面糙率與溝段糙率，其中除3#、11#及12#溝道糙率根據(jù)現(xiàn)場記錄及照片再次判斷確認(rèn)，并進(jìn)行略微調(diào)整，其余山區(qū)溝道糙率均采用現(xiàn)場初定數(shù)值。采用比降法進(jìn)行洪水推流，計(jì)算各斷面洪水洪峰流量。

圖1 山區(qū)斷面調(diào)查“低痕”洪峰流量與匯水面積關(guān)系圖

2.3 洪積扇區(qū)洪溝末端洪水調(diào)查

采用“窮舉法”對工程區(qū)此范圍內(nèi)的所有溝道進(jìn)行斷面測量及查找近期洪痕。經(jīng)現(xiàn)場初步查勘，溝段內(nèi)左右岸均有洪痕分布，具備洪水調(diào)查條件，最終得到123個(gè)測量斷面成果。經(jīng)進(jìn)一步詳細(xì)勘查與對比確認(rèn)，本調(diào)查溝段可尋找到3場近期洪水痕跡，現(xiàn)場工作將較小洪水痕跡的認(rèn)定標(biāo)識確定為“低痕”，將較大的洪水痕跡的認(rèn)定標(biāo)識確定為“中痕”，將更高的洪水痕跡的認(rèn)定標(biāo)識確定為“高痕”。經(jīng)過內(nèi)業(yè)工作確認(rèn)，“中痕”對應(yīng)博樂站2020年7月27日最大日降水20mm形成的洪水，如圖2所示。

圖2 洪積扇區(qū)坡面斷面調(diào)查“中痕”洪峰流量與匯水面積關(guān)系圖

以各出山口左右邊界所包含的范圍劃分獨(dú)立坡面匯流區(qū)塊，將各區(qū)塊內(nèi)工程段交匯處上游斷面洪水洪峰流量算數(shù)加和，得到洪積扇區(qū)洪溝末端各區(qū)塊計(jì)算的調(diào)查洪峰流量，再減去相應(yīng)區(qū)塊山區(qū)洪水經(jīng)過一段距離衰減的洪峰流量，最終得到純坡面洪峰流量。其中，山區(qū)洪水衰減量借用《給水排水設(shè)計(jì)手冊(城鎮(zhèn)防洪)》給出的洪峰流量傳播的折減系數(shù)β，計(jì)算出從出山口至工程段交匯處相對應(yīng)的衰減量。

3 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

由于本工程區(qū)相距博樂站約10km，距離更近，且有最新的最大一日降雨資料。因此，以博樂水文站為設(shè)計(jì)暴雨參證站，由于博樂站1967—1978年11年降雨量缺測，直接采用博樂站1979—2020年共42年最大1日降水量連續(xù)系列，采用P-Ⅲ型曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)頻率計(jì)算，用矩法估算參數(shù)，目估適線，博樂站年最大1日設(shè)計(jì)降雨量適線成果見表3。

表3 博樂站年最大1日降雨量設(shè)計(jì)成果表

4 山洪溝設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

本次山洪溝洪水計(jì)算采用間接法，由設(shè)計(jì)暴雨推算設(shè)計(jì)洪水。山區(qū)山洪溝設(shè)計(jì)洪水，按出山口斷面以上進(jìn)行計(jì)算；洪積扇區(qū)坡面的設(shè)計(jì)洪水，按與工程交匯斷面以上至出山口間進(jìn)行計(jì)算；工程沿線有關(guān)區(qū)段設(shè)計(jì)洪水，以山區(qū)山洪溝出山口斷面設(shè)計(jì)洪水按沿程衰減后的折算值疊加相應(yīng)區(qū)段坡面設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行計(jì)算。

依據(jù)本次現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查所了解的水源工程沿線南側(cè)山區(qū)、洪積扇區(qū)域的下墊面條件，植被分布情況，選擇水利部推薦的推理公式進(jìn)行山洪溝設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。

水利部推薦的推理公式如下：

(1)

(2)

式中，Qmp—洪峰流量，m3/s；F—流域面積，km2；L—沿主河從山口斷面至分水嶺的最長距離，km；J—沿流程L的平均比降(以小數(shù)計(jì))；τ—流域匯流歷時(shí)，h；m—匯流參數(shù)；φ—洪峰徑流系數(shù)；Sp—最大一小時(shí)雨量，即暴雨強(qiáng)度，mm。

4.1 流域特征參數(shù)F、L、J的確定

山區(qū)根據(jù)地形圖勾繪分水嶺分區(qū)，由于坡面山洪溝的河道處于不穩(wěn)定狀態(tài)，自上游至下游不斷有交叉、合并的情況，本次在高清谷歌衛(wèi)星地圖上，同時(shí)結(jié)合洪溝實(shí)地調(diào)查工作，勾繪出坡面沖洪溝獨(dú)立分區(qū)的流域面積F，并量算其相應(yīng)溝長L和河道平均比降J。

4.2 暴雨衰減系數(shù)n1、n2的確定

依據(jù)《新疆可能最大暴雨圖集》中分析的數(shù)據(jù)，本次采用n1=0.7。利用在有關(guān)相似區(qū)域所分析的暴雨雨強(qiáng)歷時(shí)曲線的趨勢關(guān)系，確定n2=0.8。

4.3 平均損失率μ值

根據(jù)《流域暴雨洪水洪峰流量計(jì)算》書中關(guān)于平均損失率μ與暴雨強(qiáng)度Sp的關(guān)系：

(3)

式中，μ—平均損失率，mm/h；R和r1—損失指數(shù)。

產(chǎn)流期的平均損失率，由“小流域下墊的條件損失強(qiáng)度R、r1值表”按前期土壤中等濕潤狀況，查取損失指數(shù)R及損失指數(shù)r1。

4.4 匯流參數(shù)m值

依據(jù)SL 44—2006水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范，在確定中小流域下墊面類別基礎(chǔ)上，由反映流域大小和地形的特征參數(shù)θ(θ=L/J1/3)，查表B.2.2下墊面條件分類表計(jì)算匯流參數(shù)m值。

經(jīng)檢驗(yàn)，在20mm降水量條件下，山區(qū)、洪積扇區(qū)選擇下墊面條件為Ⅱ類時(shí)，各山區(qū)洪溝、各坡面區(qū)塊斷面以上，暴雨洪水洪峰流量計(jì)算成果與現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查的洪峰流量之間擬合關(guān)系良好，如圖3—4所示。由此，我們可以界定水源工程南側(cè)山區(qū)與洪積扇區(qū)的小流域下墊面條件均為Ⅱ類區(qū)。

圖3 山區(qū)山洪溝調(diào)查“低痕”洪峰與計(jì)算洪峰相關(guān)關(guān)系圖

圖4 洪積扇區(qū)山洪溝調(diào)查“中痕”洪峰與計(jì)算洪峰相關(guān)關(guān)系圖

綜上所述，在通過現(xiàn)場洪水調(diào)查及試算驗(yàn)證界定的基礎(chǔ)上，可以按Ⅱ類區(qū)讓算匯流參數(shù)m值，按Ⅲ類區(qū)選擇R、r1計(jì)算μ值，由設(shè)計(jì)暴雨推算山洪溝設(shè)計(jì)洪水。

參考《給水排水設(shè)計(jì)手冊(城鎮(zhèn)防洪)》的洪峰流量傳播的折減系數(shù)概化公式，計(jì)算出各出山口至下游工程沿線調(diào)查斷面洪水衰減率。依據(jù)2020年7月27日博樂站20mm降水量，計(jì)算有關(guān)區(qū)塊暴雨洪水，并進(jìn)行對比分析。經(jīng)過比對計(jì)算，洪水衰減率與實(shí)地調(diào)查得到的洪水衰減成果基本一致，誤差不大，進(jìn)一步驗(yàn)證了調(diào)查洪水衰減率成果的合理性。因此，將該公式用于計(jì)算工程區(qū)南側(cè)上游所有相關(guān)出山口斷面洪峰流量折減計(jì)算。

高清影像衛(wèi)星圖確定各洪溝分級關(guān)系及溝道寬度，得到各個(gè)洪溝的分流比例。然后再按照區(qū)域各個(gè)洪溝調(diào)查洪水的分流比例將總的設(shè)計(jì)洪峰分配到各個(gè)洪溝斷面，偏工程安全考慮，在洪積扇區(qū)域設(shè)計(jì)洪水的成果上，建立流域面積～不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量的相關(guān)關(guān)系從而可進(jìn)行簡化計(jì)，如圖5所示。本次洪積扇區(qū)域輸水管線段的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算及未進(jìn)行出山口斷面測量的山區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算通過流域面積～不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量關(guān)系(山區(qū)和洪積扇區(qū))直接推算。

圖5 流域面積～不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量相關(guān)關(guān)系圖

5 結(jié)果分析

水庫上游對應(yīng)集水面積為115.93km2，根據(jù)入庫設(shè)計(jì)洪水洪峰流量及總量計(jì)算成果表，P=1%的設(shè)計(jì)洪峰流量為189.43m3/s，可計(jì)算出水庫上游山洪溝洪峰模數(shù)為1.63，將該點(diǎn)據(jù)分別放置于伊犁地區(qū)洪峰模數(shù)～流域面積關(guān)系圖和天山北坡地區(qū)洪峰模數(shù)～流域面積關(guān)系圖之中，如圖6—7所示?？梢灾庇^反映出本工程區(qū)面積對應(yīng)洪峰模數(shù)遠(yuǎn)大于伊犁地區(qū)P=1%洪峰模數(shù)，同時(shí)也略大于天山北坡地區(qū)P=1%洪峰模數(shù)，從工程安全角度考慮，本階段設(shè)計(jì)洪峰流量成果具有合理性。

圖6 伊犁地區(qū)洪峰模數(shù)～流域面積關(guān)系圖

圖7 天山北坡地區(qū)洪峰模數(shù)～流域面積關(guān)系圖

6 結(jié)語

無實(shí)測水文資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水的推求，一直是水利工程設(shè)計(jì)當(dāng)中的一個(gè)重難點(diǎn)。本文以實(shí)際工程為例，介紹了如何采用推理公式法推求設(shè)計(jì)洪水成果的計(jì)算過程，采用推理公式法推求設(shè)計(jì)洪水，同時(shí)考慮山區(qū)洪水在出山口以后的衰減，并結(jié)合現(xiàn)場歷史調(diào)查洪水成果加以驗(yàn)證，推求得到的設(shè)計(jì)洪水成果客觀可靠，并直接應(yīng)用于本文提到的實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，讓工程設(shè)計(jì)有據(jù)可依。同時(shí)，本文提到的實(shí)際工程位于新疆北疆地區(qū)，關(guān)于采用推理公式法推求設(shè)計(jì)洪水成果是否適用于新疆南疆地區(qū)或受據(jù)地氣候影響的地區(qū)，還需更多不同地域無資料區(qū)域?qū)嶋H工程的設(shè)計(jì)成果驗(yàn)證。