湖北长阳经济开发区防洪排涝水文计算分析

王从锋 易仲强 纪道斌 杨正建

(三峡大学水利与环境学院,湖北 宜昌 443002)

1 概 况

1.1 自然地理

湖北长阳经济开发区位于湖北宜昌长阳县城北部,距长阳县城中心区9km,距宜昌市中心区50 km,见图1所示.长阳经济开发区由湖北省人民政府于2006年4月以鄂政函〔2006〕54号文件批复设立,2006年5月经国家发改委审核验收为省级开发区,规划总面积3.08km2,辖白氏坪、刘家冲两个行政村,17个村民小组,常住人口8178人.长阳经济开发区是全县最重要的经济区域,在全县的国民经济中占有特殊的地位.

1.2 水文气象

图1 湖北长阳经济开发区地理位置示意图

长阳经济开发区处北半球亚热带暖湿季风气候区,其特点为冬夏季风更替明显,四季分明,光照充足,雨量充沛,具有山地气候特征.流域河谷交错,地势多样,地形复杂,河谷区域气候稳定.经统计,多年平均降雨量1347.2mm,多年平均气温16.4℃,月平均气温以7月最高,达27.6℃,以1月最低,为4.6℃,年均日照时数1553h,多年平均相对湿度80%,多年平均风速为1.5m/s,盛行风为偏东风.霜期一般出现在11月至次年3月间,年均无霜期282d.

2 暴雨特性及洪水成因

流域内暴雨以气旋雨、峰面雨为主,台风雨有时也会直接或间接地影响本流域.暴雨最早出现在 4月,大多数在10月结束,约占全年降雨量的85%.多数暴雨集中7～8月,多发生各河流上游;7月份西风环流减弱,西南季风加强,气温高,水汽丰沛而降水强度普遍增大;7月下旬至8月初,副高(西太平洋副热带高压,简称副高)北进,赤道辐合带也明显北移,此时台风、东风波等热带系统均能直接或间接影响各流域,造成暴雨或大暴雨;8月中下旬,副高继续加强、北上,所经流域受副高控制,一般降水减少.

以7月份出现的暴雨机会较多,强度也大.所经流域实测最大年雨量2136mm(1989年),实测最大24h暴雨423mm.年最小降雨量696mm(1992年).暴雨的年际变化不很大,年最大24 h和72 h暴雨变化系数0.37～0.38.

洪水成因主要由气旋雨、峰面雨系统的暴雨形成,也有台风雨系统的暴雨形成,所以洪水在量级上较其邻近流域要大.由于流域两岸的坡度较大,汇流时间短,致使洪水陡涨陡落,洪水过程大多是单峰,属高峰尖瘦型,即使洪水过程是复峰,其次峰的峰和量都很小,持续时间也相当短.整个洪水过程的持续时间一般为1～3d.

洪水主要发生在汛期4～10月,多数集中在7～8月,由于暴雨集中,持续时间短,常形成洪峰较大的洪水.其河流特征为典型的山溪性河流,河水暴涨暴落,丰枯悬殊大.

3 流域洪水分析计算

3.1 河段特征

开发区内共有5条河道穿过,其中白氏溪为流域干流,发源于园头观,其主要支流有枇杷溪、太平溪、老湾沟和刘家冲,均位于长阳经济开发区,其洪涝灾害对社会经济影响显著.各河道特性参数见表1.

表1 各场址河道特性参数表

3.2 设计洪水计算

设计洪水计算有3种方法,即水文比拟法、瞬时单位线法、地区经验公式法[1].采用水文面积比拟法计算设计洪水,是根据参证站洪水、设计站所在流域内的历史洪水调查等综合因素考虑的,由于规划流域面积与水文站控制流域面积相差较大,不宜采用面积比拟法推求设计洪水.采用地区经验公式法计算设计洪水时,虽然考虑了暴雨参数,如面雨量、暴雨递减指数、造峰历时等参数,但没有考虑流域的坡降,由于山区河流的坡降往往较大,因而计算的洪水成果偏小.而瞬时单位线法计算设计洪水,是根据可能最大暴雨推求的,采用其成果较为安全合理[2].因而选择采用瞬时单位线法推求设计洪水.

采用瞬时单位线法推求设计洪水,暴雨参数主要依据《湖北暴雨统计参数图集》(2008).本流域属于水文气象分区第七区,流域附近设有长阳气象站,暴雨参数见表2.

表2 暴雨参数统计表

表2中,H为暴雨均值;Cv为变差系数,衡量暴雨系列相对离差程度,Cv值越大,表明暴雨系列的变化程度越大;Cs为偏态系数,反映暴雨系列在暴雨均值两边的对称程度.主要相关参数设置如下:

点雨量:Hp点=KPH;面雨量 :H1面=α1H1点,H6面=α6H6点,H24面=α24H24点;面递减指数:1 ～ 6 h时 ,n1=1+0.558lnβ1;6～ 24h时,n2=1+0.721lnβ2.其中,β1=H1面/H6面,β2=H6面/H24面;设计净雨计算 :当 1≤t≤6h,Ht面 =H1面t1-n1;当 6 ≤t≤24 h,Ht面=H24面24n2-1t1-n2;初损:Io=22.5 mm;稳损 :fc=0.0615R240.61;其中R24=H24面-22.5;瞬时单位线参数采用如下公式:

对超过50年一遇的洪水作非线性修正.

将以上参数代入程序计算,采用单位瞬时线法推求各控制断面各种频率设计洪水结果见表3.

表3 治涝水文计算成果表

4 排涝分析计算

4.1 设计暴雨

查《湖北暴雨统计参数图集》(2008),根据相关暴雨参数计算得到了10 min,60 min,6h,24h,3d皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数KP值和暴雨.不同历时设计暴雨计算成果见表4.

表4 不同历时设计暴雨(mm)

4.2 设计排涝量及排涝模数

设计排涝洪水量,采用常用的径流系数法[3].径流系数与汇水面积内地面的覆盖情况、地表坡度、建筑物的密度及其分布、地貌情况、路面铺砌等因素有关,要精确确定比较困难.一般都采用地面覆盖确定的经验数值[4],见表5,整个汇水面积的平均径流系数则采用各部分面积上径流系数的加权平均值,计算结果为α=0.5825.综合以上设计暴雨量求得设计排涝量,设计排涝模数,成果见表6.

表5 长阳经济开发区径流系数计算表

表6 不同频率暴雨设计排涝量及排涝模数表

5 结 语

根据计算结果分析,长阳经济开发区防洪排涝标准为10a一遇、20 a一遇、50 a一遇洪水的设计洪峰流量分别为 220.4 m3/s、263.6 m3/s、603.3 m3/s,相应设计最大24 h暴雨分别为197.8mm、244.1 mm、350.3mm,相应开发区规划范围内6h最大排涝洪水量分别为27.2×104m3、33.3×104m3、41.1×104m3,排涝模数分别为0.90m3/(s◦km2)、1.10m3/(s◦km2)、1.36 m3/(s◦km2).24h最大排涝洪水量分别为40.3×104m3、49.8×104m3、62.0×104m3,排涝模数分别为 1.33 m3/(s◦km2)、1.65 m3/(s◦km2)、2.05 m3/(s◦km2).3 d最大排涝洪水量分别为 53.3×104m3、67.5×104m3、86.3×104m3,排涝模数分别为1.76m3/(s◦km2)、2.23m3/(s◦km2)、2.85m3/(s◦km2).

长阳经济开发区防洪排涝,关系到开发区人民的生命财产安全,关系到开发区经济建设进程.尤其是长阳经济开发区作为长阳县的东大门,318国道线、忠武天然气管道、川气出川天然气管道、沪渝高速公路等国家重点建设项目都经过该区域.防洪工程的薄弱,对这些国家重点项目构成了潜在的威胁.因此,开发区在防洪排涝的措施和手段上必须加强,才能适应当地社会经济的发展.确保人民生命财产安全,经济持续稳步发展.

[1］中国市政工程东北.给水排水设计手册-城镇防洪(第7册)[M].北京:中国建材工业出版社,2000.

[2］蒋 吉.城市防洪排涝水文水利计算及安全保障体系研究[D].南京:河海大学,2008.

[3］王金亭.城市防洪[M].郑州:黄河水利出版社,2008.

[4］顾慰慈.城镇防汛工程[M].北京:中国建材工业出版社,2002.