基于无资料地区推求小流域设计洪水的实例剖析

李青山，王 好

( 吉林省水文水资源局通化分局，吉林 通化134000)

0 前 言

吉林省集安市的各江河多属山溪性河流，小江小河非常多，而在一些小流域上并没有设立水文观测站，而随着人民生活水平的提高，水利工程及环境工程也逐渐向乡镇发展，而这些地方缺少水文资料，采用经验公式是一种方法，但由于是无实测的水文资料，所以应多种方法进行校正，以下是我们在实际工作中，采用洪水调查及分析借用邻近有水文资料的流域进行洪水计算的一种方法的探讨。

吉林省集安市拟在清河镇通吉公路苇沙河清河大桥桥下296 m处修建拦河坝，同时加高堤坝，需推求坝址处的100 a一遇( P=1%) 和50 a一遇( P=2%) 的洪峰流量。

1 基本情况

1.1 流域概况

苇沙河为浑江左岸一较大支流，苇沙河发源于集安市热闹镇上湖村东南，在集安市头道镇汇入浑江。河道全长49.3 km，流域面积683 km2。其中清河镇坝址以上流域面积为283 km2，河道平均坡降5‰。而与之相近另一左岸浑江之流的大罗圈河上设有铁厂水文站，两条河流的平均距离约为40 km，如图1 所示。

图1 苇沙河水系示意图

1.2 气象、水文概况

1.2.1 气候

浑江流域地处中纬度欧亚大陆东缘，在全国气候区划中属于北温带大陆季风气候区，本区受西伯利亚及太平洋季风影响，在冷暖气团交替控制下，四季变化明显。春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，日温差大，冬季严寒而漫长。

1.2.2 降水

根据多年降水观测资料统计，多年平均降水量为848 mm，降水年内分配不均，降水主要集中在6—9月，6—9月降水量占全年降水量的72.2%，多年平均蒸发量为1 182.2 mm。

1.2.3 水文测站及资料分布情况

浑江干支流上的水文站为国家标准测站，铁厂水文站1972年1月设立。铁厂水文站控制面积685 km2。在苇沙河上1958年建有头道崴子水文站，集水面积647 km2。

表1 浑江流域各站观测系列表

1.3 河道边界条件

苇沙河在清河镇河段内坡降较大，河流平均坡降5‰。两边是土堤护坝，河流沟槽及河床内大多是卵石、沙、块石。在拦河坝坝址处是一沙石厂，河道内有很多沙石高高堆起，沙坑无数。

2 设计洪水推求

2.1 水文成果

2.1.1 暴雨洪水特性

浑江流域地处长白山主脉和龙岗山脉之间，山脉走向为东北至西南，西南来的暖湿空气沿喇叭口的山谷向东北面上。特殊的地形条件有利于辐合上升运动的加强和水汽的集中。在台风和气旋的影响下，不但暴雨发生频繁，而且也是暴雨高值区。大暴雨多发生在7月中旬到8月中旬，一次暴雨过程基本是3 d。3 d暴雨集中在24 h，24 h降雨量约占3 d降雨量的80%。暴雨笼罩面积大，如1888年、1923年、1960年和1995年暴雨基本笼罩了全流域，这4 a大暴雨，造成了本流域的4 场大洪水。

2.1.2 历史洪水

浑江在历史上曾发生多次较大洪水，自1888年至今的百余年中，有记载的大洪水有9 次. 其中解放前有1888年、1923年、1927年、1935年共4 次;解放后有1951年、1953年、1957年、1960年及1995年共5 次，统计历史洪水成果。见表2。

2.2 实测水文资料成果

2.2.1 实测大断面位置根据洪痕点及坝址位置在清河大桥下布设了上、中、下3个断面，分别在清河大桥下140 m、296 m、391 m，见表3。

2.2.2 实测坝址处大断面图

实测坝址处大断面图见图2 ～图4。

表2 各水文站历史洪水洪峰流量成果表 m3/s

表3 苇沙河清河大桥下坝址实测横断面位置统计表

图2 清河镇上断面大断面图

图3 清河镇中断面大断面图

图4 清河镇下断面大断面图

2.2.3 河道参数的分析与选用

2.2.3.1 河床糙率n 值的分析河床糙率n 值的分析见图5 ～图7。

图5 1977年铁厂水文站水位与糙率关系图

图6 1995年铁厂水文站水位与糙率关系图

图7 1960年头道崴子站水位与糙率关系图

从以上分析图看，水位－糙率关系比较散乱，取用糙率在高水比较集中的地方，同时参照苇沙河头道葳子水文站及清河大桥下河段的实际情况采用糙率0.030。

2.2.3.2 水面比降I 值的分析( 万分率)

水面比降I 值的分析见图8、图9。

图8 1977年铁厂水文站水位与水面比降关系图

图9 1995年铁厂水文站水位与水面比降关系图

通过计算实测的清河大桥下的上、中断面平均坡降为5‰，通过对铁厂1977、1995年及头道崴子水文站高水的比降分析，高水时采用水面比降5‰。

2.3 设计洪水

铁厂水文站自1972—2009年共有实测洪水资料38 a。根据历史洪水及实测洪水计算出铁厂水文站的设计洪水，由于苇沙河没有长系列的水文观测资料，而且又与铁厂水文站的自然地理条件、集水面积、历史调查洪水较接近，所以根据历史洪水调查及参照铁厂水文站水文资料推求坝址处设计洪水。

在清河大桥下左岸坝腰处通过走访水利部门及当地居民测得1995年两处洪峰流量的洪痕点，高程为340.92 m，坝址断面处为341.40 m，据此采用曼宁公式推求出清河大桥处1995年的洪峰流量为826 m3/s。

曼宁公式为:

式中:Q 为不洪峰流量，m3/s; F 为过水断面面积，m2; R 为水力半径，m;I 为水面比降;n 为河床糙率。

而1995年洪水在铁厂站相当于20 a一遇洪水，而由于两条河流位置近，气候及地理条件接近，可以认为洪水频率是一样的，而铁厂水文站1995年洪峰流量为852 m3/s，据此采有倍比方法，倍比系数0.97，推求出苇沙河清河大桥下坝址断面的洪峰流量见表4。

表4 各计算断面设计洪水计算成果表

为了验证推求成果，采用经验公式计算设计洪水:

式中:Q 为多年平均洪峰流量; C 为洪峰流量参数; n 为面积指数;F 为集水面积，以平方公里计。

根据吉林省水文图集查得当地的水文参数:洪峰流量参数C=6.0，面积指数n=0.67，计算多年平均洪峰流量:

最大流量离差系数Cv=0.95，Cs=2.5Cv，查模比系数KP。

50 a一遇洪峰流量为1 020 m3/s。100 a一遇洪峰流量为1 210 m3/s。两种方法计算的流量基本吻合。

3 结 语

通过以上实例的计算，可以看出采用气候、下垫面、集水面积相同，地理位置相近的有水文资料的河流推求无资料地区的河流设计洪水的方法是可行的，而且精度是可靠的。

［1］吉林省水文总站，吉林省水利设计院. 吉林省水文图集［M］.长春:吉林省水文站，吉林省水利设计院，1974.

［2］刘纯义，张耀先. 水力学［M］. 北京: 中国水利水电出版社，2005.