浅析华东地区特小流域设计洪水计算方法

卢祖贵

(福建省古田县水利局,福建 古田 352200)

1 前 言

我国水资源相当丰富,流域面积在 100km2以下的小河流不计其数。在众多的小河流上,兴建中小型水库,发展灌溉渠系等工程,如修建农田水利工程的小水库,渠系上交叉建筑物如涵洞、泄洪闸,以及城镇地区的防洪工程等,都要求提供这些小流域某种频率的设计洪水。

特小流域与大、中、小流域相比,不仅集水面积特别小,而且暴雨洪水的产流、汇流也有自身的特点,如暴雨空间分布比较均匀、地下径流比例较小、汇流时间较短、坡地汇流起主导作用等。鉴于特小流域洪水形成的诸多特点,水文科技人员做了大量的试验研究,总结了许多理论公式和计算方法,并不断在工程实践中加以应用和验证。因此,本文试图通过介绍小流域洪水设计计算的基本方法,分析其适用性和优缺点,结合对小型水利工程小流域设计洪水计算实例的比较和分析,从而探讨寻求合理的特小流域设计洪水计算方法。现就华东地区特小流域设计洪水计算方法浅析如下。

2 特小流域设计洪水计算的基本方法

2.1 小流域设计洪水计算的几种主要方法

流域设计洪水计算工作已有 100多年的历史,计算方法在逐步充实和发展,由简单到复杂,由计算洪峰流量到计算洪水过程。从华东地区近几十年小流域水利工程的设计情况来看,20世纪八九十年代主要采用的设计方法:(1)历史痕迹估算法;(2)水文比拟法;(3)诺模图表推求法。本世纪以来主要采用的设计方法:(1)推理公式法;(2)华东特小流域参数法;(3)瞬时单位线法等。

2.2 特小流域设计洪水计算的常用方法

2.2.1 原较常用的特小流域设计洪水计算方法及适用性简评

20世纪末随着我国水利工程和股份制小水电工程的大量涌现,我国水电工程技术人员一直沿用旧的方法来推算小流域设计洪水,由于水文比拟法不宜在集雨面积差异大的流域中使用,所以一般在特小流域洪水计算时不采用,以下简述常用两种方法的基本原理。

(1)历史痕迹估算法:首先在河流上下游选择比较顺直、平稳、无较大支流汇入的河段进行,尽可能收集历史洪水,寻找洪水痕迹标志,并测量上、下游河道痕迹以下断面和断面间的距离,以及该段河道的比降,应用谢才公式算出河道平均流速,最后推算得到设计洪峰流量。

(2)诺模图表推求法:主要由暴雨来推求设计洪峰流量,以单一流域范围内降一次暴雨、汇流于特定出口所形成的最大洪峰流量为依据,福建省水文总站根据基本公式,把多个参数分析变换成相关函数,绘制成七变数合轴相关图(即诺模图),由图上可直接导出最大设计洪峰流量。

上述两种方法都是在无水文资料或资料极短缺的情况下,采用近似估算的较简单办法,减少了许多繁重的设计计算,简便易算但相对较粗略,前者存在很多的不确定性,主观人为因素多;后者限于年代已久,千篇一律,误差极大,已逐渐不适宜使用。

2.2.2 目前主要采用的特小流域设计洪水计算方法及适用性简评

随着水电技术人员技术水平的不断提高,以及近十年计算机技术大量普及,现行主要采用推理公式法、瞬时单位线法、华东特小流域参数法等,其中瞬时单位线法比较适合于集雨面积在 200km2至1000km2,且无洪水资料的流域,所以对于特小流域一般不采用。下面介绍常用的两种特小流域设计洪水计算基本思路。

(1)推理公式法:先把流域的产流、汇流条件均化、概化后,根据水流的连续方程和运动方程联立求解,推导出流域出口断面洪峰流量的计算公式。经过确定稳定入渗率 fc值,用 fc值将各时段的净雨分割成地表和地下净雨两部分,由设计流域的特征参数推求 m值,通过绘制 Qm～τ和 Qm～t两条关系曲线,求得设计地表洪峰流量;将计算得到的地下洪量,按照等腰三角形分配,即得设计地下洪峰流量。地表和地下洪峰流量相加就是所求的设计洪峰流量。

(2)华东特小流域参数法:该法主要是利用推理公式法计算的基本原理,经过大量分析华东地区的许多测站洪水特征,探求特小流域的雨洪特性和参数变化规律,根据地区流域下垫面类型,因地制宜地将各流域的洪水参数分成五类,分别建立各种类型的洪水参数计算公式,从而推求出洪峰流量的设计方法。

这两种方法基本计算原理一样,都是对产流、汇流条件均化、概化后,应用电算程序进行计算,计算精确并综合考虑了各自流域下垫面情况,排除了大部分主观人为因素的干扰,适合无水文资料的特小流域设计洪水计算。

3 特小流域设计洪水计算方法的应用和比较

3.1 特小流域设计洪水计算在工程实例中的应用

古田县杉洋岭里水库大坝工程,是一座以灌溉为主,结合防洪、发电的综合型小(一)水库,水库大坝为均质土坝,最大坝高 26.0m,水库总库容为146.5万 m3,坝址集雨面积 2.05km2,主河道长2.99km,河道平均坡降 69.5‰。工程于 1980年 1月完工并蓄水试运行,1986年 10月在“三查三定”中对工程进行防洪复核,2009年 5月对大坝进行安全评价,再一次复核防洪安全情况。以下分别叙述历次洪水计算的基本方法和成果:

(1)历史痕迹估算法:工程建设之初,由于缺乏水文资料,又无法进行复杂计算,主要采用了估算法,来推求历史洪峰流量。估算公式如下:

式中 ω——洪水位以下的河槽断面面积;

v——流速 ;

c——天然河槽糙率系数;

R——过水断面的水力半径;

i——所取河段实测坡降。

对古田县杉洋岭里水库经收集历史洪水、寻找洪水痕迹和实测计算,推求的洪峰流量为:P=2%设计洪峰流量为 25.2m3/s;P=0.2%校核洪峰流量为33.6m3/s。

(2)诺模图表推求法:1986年 10月的防洪复核主要是应用了诺模图表推求法,其计算公式如下:

式中 Sp——最大一小时降雨量;

Ψ——洪峰径流系数;

n——暴雨递减指数;

τ——汇流时间;

F——集雨面积;

0.278 ——单位换算系数。

经过复核,古田县杉洋岭里水库推求的洪峰流量成果为:P=2%设计洪峰流量为 27.8m3/s;P=0.2%校核洪峰流量为 37.3m3/s。

(3)推理公式法:本次岭里水库大坝安全评价,采用的其中一种方法,基本公式如下:

式中 Ht——相应于 t时段的最大净雨;

F——流域面积;

τ——流域汇流时间;

m——汇流参数;

L——主干流长度;

J——河道干流比降。

经过复核推求的洪峰流量成果为:P=2%设计洪峰流量为 36.6m3/s;P=0.2%校核洪峰流量为51.8m3/s。

(4)华东特小流域参数法:根据华东地区总结的流域下垫面参数类型,经认真考察该坝址上游,主要以较稠密的混交林和竹林等为主,岩石裸露和少量耕地,河道两岸杂草众生,因此洪水参数 m值可取Ⅱ-2类区进行计算,计算公式 m=0.395θ0.104。推求的洪峰流量为:P=2%设计洪峰流量为 34.4m3/s;P=0.2%校核洪峰流量48.7m3/s。

3.2 不同特小流域设计洪水计算方法的比较分析

古田县杉洋岭里水库在不同阶段,共采用四种计算方法,得出了不同的设计洪峰流量成果,现将其汇总于表1。

表1 岭里水库设计洪峰流量成果比较 m3/s

通过对上表的各种计算洪水成果比较来看:

(1)原设计采用的历史痕迹估算法和首次复核用的诺模图表推求法,计算成果较接近,P=0.2%校核洪水相差 9.9%,P=2%设计洪水相差 9.3%。

(2)本次安评洪水复核采用 2种方法,推理公式法与华东地区特小流域洪水参数法计算的成果也较接近,P=0.2%校核洪水相差 6.0%,P=2%设计洪水相差 6.0%。

(3)原设计采用的历史痕迹估算法计算成果偏小,与本次安评推荐的华东地区特小流域洪水参数法的复核成果相比,P=0.2%校核洪水偏小 31%,P=2%设计洪水偏小 26.7%。

(4)首次诺模图复核法计算成果仍偏小,与本次安评推荐的华东地区特小流域洪水参数法的复核成果相比,P=0.2%校核洪水偏小 23.4%,P=2%设计洪水偏小 19.2%。

古田县杉洋岭里水库原设计和首次复核,为了减少许多繁重的设计计算,分别采用近似估算和查找图表的方法。由于历史痕迹估算法和查找图表法都受很多主观人为因素的影响,过程相对简单粗糙,常较难反映一个区域洪水历时汇流情况,所以计算成果可能误差较大。但本次安评洪水复核,采用了推理公式法与华东地区特小流域洪水参数法相互复核,通过对入渗率的确定计算来划分各时段的地表和地下净雨,计算精确且综合考虑面广,尤其是华东地区特小流域洪水参数法还专门针对流域下垫面参数,对坝址流域下垫面调查考证,根据现场植被因地制宜地确定参数 m,从而使成果较真实反映了流域下垫面情况。虽然计算过程也对流域产流、汇流条件进行均化和概化,但通过对计算成果的分析和历年洪水记录调查复核,计算方法及成果基本可靠。

4 华东地区特小流域设计洪水计算方法的合理性

通过对特小流域设计洪水计算方法的介绍,以及古田县杉洋岭里水库工程不同阶段、四种洪水计算成果的比较分析,不难发现 20世纪旧的特小流域洪水计算成果偏小,随着社会经济的不断发展,社会对工程安全等级要求的进一步提高,已不能再适用于目前水利工程。本世纪以来,广大水文科技人员都在认真研究和总结,不断寻求合理推求特小流域设计洪水计算的方法。

由于特小流域的产、汇流现象,不仅受控于暴雨的时空分布,而且还要受到流域下垫面条件的制约,而这种制约的程度,又随各种下垫面有所不同,这种不同主要反映在流域(多半在坡面)调蓄能力的大小和不同水源补给的大小,并集中反映在以不同汇流速度描述的洪水参数 m上。由此可见,特小流域洪水参数值的确定将直接影响洪水的计算成果。根据华东电力设计院和水科院水资源所对华东地区一百多个测站的几百场洪水所做的分析和研究,专门建立了各种类型洪水参数 m的计算公式,该计算方法特别适合华东地区特小流域面积 F＜30km2(特别是 F＜10km2)的工程。

综上所述,笔者认为目前在华东地区,在无水文资料或资料极短缺的情况下,既能确保一定准确度,又能为大多数技术人员掌握的特小流域洪水设计方法,就是利用推理公式计算基本原理,按照华东电力设计院和水科院水资源所专门研究建立的洪水参数法来推求参数 m,最后推算出设计洪峰流量的方法,即华东特小流域参数法。