小沙河治理工程设计洪水计算探讨

黄 河

(郑州大学 水利与环境学院，河南 郑州 450002)

随着建库蓄洪、筑堤疏河、开沟引渠等大量工程措施不断酝酿规划和相继付诸实施，“十二五”规划大纲明确提出要“加强水利基础设施建设，在继续推进大江大河治理基础上，积极开展重要支流、湖泊和中小河流治理，增强城乡供水和防洪能力”[1]，中小流域正成为当前农田水利基础建设的热点和重点地区。设计洪水是水利工程设计中关键和先行的环节，其量值影响甚至决定了工程的规划和规模，而中小流域地区暴雨流量等水文资料相对匮乏，工程分布广、规模普遍较小且主要受洪峰流量控制的特点给设计洪水计算带来了困难，目前应用较广泛的是陈家琦于上世纪中叶提出的水利科学院推理公式[2，3]。文献本文结合小沙河治理工程实例，对推理公式在豫南山丘区中小流域设计洪水推求中的形式、参数率定和算法等特点进行了阐述和探讨，并对公式推求成果合理性进行了验证。

1 流域及工程概况

小沙河系淮河二级支流，发源于河南省南部信阳市商城县苏仙石镇，流经商城县、固始县5个乡镇，在固始县汪棚乡注入史河支流石槽河，史河与灌河在固始县城北蒋集汇合成淮河一级支流史灌河。小沙河流域地处大别山北麓，是由山区、丘陵至平原的过渡地带，属北亚热带向暖温带过渡的季风温润区。流域总面积371.5km2，干流河道长61.65km。其中，小沙河中上游40km干流流经商城县境内低山丘陵区，平均比降为1/200;下游地形开阔，地势平缓，河道平均比降为1/2000。

小沙河治理工程位于商城县境内小沙河中上游山丘区。小沙河现状上游河道窄浅坡陡且无控制性工程，中下游河道弯曲淤积、泄洪不畅，堤防和排涝设施缺乏或损毁严重，河道防洪、排涝标准偏低，一旦上游发生暴雨，极易形成洪涝灾害。此次治理按照山丘区河道生态治理的原则对小沙河丰集镇与曹家岗间河道进行开挖疏浚、堤防整修、险工处理和防汛道路修建。工程除涝标准为5年一遇，防洪标准为10年一遇。工程等别为Ⅳ等，主要建筑物级别为4级，次要和临时建筑物级别为5级，河道堤防工程级别为5级。如目前该项目已列入《全国中小河流治理和中小水库除险加固专项规划》中，计划于2013年实施。

工程控制断面流域特征如表1所示。

表1 工程控制断面流域特征Tab.1 drainage compositions of engineering control sections

分别参照《84图集》、《05图集》相关图表，查取流域重心处年最大10min，1h，6h，24h的点雨量均值 Ht和变差系数Cv，选用偏态系数Cs=3.5Cv，计算各历时设计频率(5%，10%，20%)点雨量Ht，p;查“河南省短历时暴雨时面深(t-F-a)关系图”得点面折减系数a，则各历时设计频率面雨量 H＇t，p=aHt，p。根据当地水文计算手册规定将24小时暴雨进行时程分配。参照不同图集查取的暴雨特征参数见表2。

2 设计暴雨计算

2.1 水文气象资料

小沙河流域属植被较好的淮南各支流浅山区，根据“河南省山丘区水文分区图”，确定该区域所在水文分区为I区。受季风及地形条件的影响，流域内降水时空分布不均，每年6～9月降雨量占全年的54～58%，且常以暴雨形式出现。产生暴雨的天气系统主要是冷锋、气旋波和低涡。雨季一般在7月上旬到9月上旬，大暴雨主要发生在7、8月，以7月下旬到8月上旬最多，暴雨持续时间多在1～3天。暴雨造成小沙河流域洪汛频繁，据调查，建国至1988年近40年间，有22年发生过大的洪灾，上世纪九十年代至今也发生了4次较大洪灾，其中2002年、2004年小沙河上游山区局部暴雨，河水暴涨致使丰集镇近岸低洼处被淹，并引起下游河段普遍漫溢。

本流域及邻近地区缺乏实测暴雨和洪水流量资料。根据豫水办[2007]7号“河南省水利厅关于试行《河南省暴雨参数图集》(2005年版)的通知”规定，利用1984年河南省水利设计院编印的《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》[4](以下简称《84图集》)和河南省水文水资源局2005年12月编制的《河南省暴雨参数图集》[5](以下简称《05图集》)查算成果相分析比较来确定设计暴雨及洪水。

2.2 设计暴雨计算

表2 暴雨统计参数汇总表Tab.2 summary sheet of storm statistical parameters

3 产流计算

分别利用参照《84图集》、《05图集》所算24小时设计雨量，查“河南省山区丘陵地区降雨径流关系”中I线得24小时设计净雨深R24。该区域降雨最大初损Imax为50mm，设计前期影响雨量Pa规定如下:50年一遇以上暴雨Pa=Imax，10～20年一遇设计暴雨Pa=2/3Imax。根据当地水文计算手册，对24小时净雨概化时程进行分配，如图1、图2所示。

4 汇流计算

4.1 推理公式法基本公式

工程控制流域面积为128.3km2，小于200km2，可采用推理公式法计算设计洪水，其基本公式[4]为:

式中:Qm，p为设计洪峰流量(m3/s);ψp为洪峰径流系数，全面汇流时采用式(3)计算;τ为洪峰汇流历时(h);F为控制流域面积(km2);L为主河道长度(km);J为主河道平均坡降;Sp为设计最大1小时雨量平均强度，即雨力(mm/h);ntp为设计暴雨递减指数，根据历时长短进行划分:τ小于1h取n1p，τ=1～6h取n2p，τ=6～24h取n3p;m为汇流参数;μ为平均入渗率(mm/h)。

4.2 推理公式法参数率定及求解

工程治理河道长度较短且区间无较大支流汇入，工程采用治理终点曹家岗处设计洪水成果。曹家岗断面流域特征见表1;当地水文计算手册规定水文分区Ⅰ区μ值按2～3mm/h控制，结合工程区水文地质特征，取μ=3mm/h;汇流参数m参照当地水文计算手册中Ⅰ区θ～m相关线查取，流域综合特征值θ按式(4)计算;此次设计洪水计算中不涉及到暴雨递减指数n1p，n2p和n3p按式(5)和(6)计算，暴雨递减指数计算成果见表3。

式中:H＇t，p为设计频率年最大历时 t面雨量(mm)。

表3 暴雨递减指数计算成果汇总表Tab.3 summary sheet of rainstorm decline index

计算洪峰流量需确定洪峰汇流历时τ，τ的计算式(2)中包含未知参数Qm，p，需采用试算迭代的方法对洪峰流量进行求解。笔者在excel中建立式(1)和式(2)的联动求解模型，模型参数率定如前述。当输入洪峰流量试算值时，就会输出一个洪峰流量值作为响应。利用excel的单变量求解工具，将洪峰流量试算输入值作为可变单元格，洪峰流量试算值与其响应值之差作为目标单元格，目标值设为0。进行单变量求解后的目标单元格数值与响应值相等，即为所求的设计洪峰流量，推理公式法计算成果见表4。

4.3 设计洪水成果分析与采用

根据淮河流域及小沙河综合治理规划，信阳市水利局先后于2011年初和2012年底对小沙河下游固始县境内保丰寺至土河入河口(以下简称保～土段)6.85km长的河道及磨盘山至保丰寺(以下简称磨～保段)5.27km长的河道进行了治理。其中，磨～保段位于保～土段的下游且两段相连，起点磨盘山处与上游此次治理终点间主河道长度约10km。磨～保段和保～土段工程控制流域面积分别为268km2和279km2，均大于200km2，设计洪水均采用治理段终点处的淮上法计算成果。将保～土段土河入河口和磨～保段保丰寺处淮上法设计洪水成果作为参证值，分别采用水文比拟法控制流域面积比的0.75次方推求曹家岗处洪峰流量，并与推理公式法设计洪水成果进行对比，如表4所示。

表4 小沙河设计洪峰流量计算成果表Tab.4 results of design peak flow of Xiaoshahe river regulatioin engineering

虽然保～土段和磨～保段设计洪水采用淮上法计算，但两河段处于此次小沙河治理段的下游且水文地质条件相近，其设计洪水水文比拟成果对验证推理公式法成果的合理性仍具有参考意义。观察表4知，推理公式法设计洪水成果基本处于保～土段和磨～保段设计洪水水文比拟成果之间，成果偏差亦在允许范围内，说明推理公式法设计洪水成果合理，同时此次治理与下游治理河段采用的5年一遇除涝、10年一遇防洪标准相一致，可以保证了同一河流上下游间设计洪水成果的协调。

由表4知，参照《05图集》的推理公式法设计洪峰成果接近且大于《84图集》计算成果，相对偏差不大于10%。由于《84图集》和《05图集》设计雨洪查算图表间存在差异，导致查取的暴雨统计参数有所偏差，继而引起设计暴雨洪水计算成果的不同。《84图集》是根据1975年淮河流域上游发生特大暴雨后，河南省参与的水利电力部组织分析编制全国年最大短历时点暴雨参数等值线图和暴雨径流查算图表相关工作的分析应用成果汇编而成，采用的水文资料系列为1951～1980年。但近20年来，我省增加了大量暴雨资料，许多地区发生历史最大或较大暴雨，暴雨量级不断刷新。与《84图集》相比，《05图集》采用的资料系列为1951～2000年，系列延长近1倍，并增加了3天暴雨统计参数资料，充分运用了地理信息系统等计算机技术，采用了目前我省暴雨方面最全面最系统的研究成果。因此，从工程安全性和资料来源可靠性考虑，此次小沙河治理工程推荐采用参照《05图集》的推理公式法设计洪峰成果。

5 结语

本文结合小沙河治理工程实例探讨了推理公式在豫南山丘区中小流域设计洪水计算的应用，通过与下游已治理河段设计洪水水文比拟成果对比分析表明，推理公式法设计洪水成果合理可靠，保证了同一河流上下游间设计洪水成果的协调。但通过水文图集查取暴雨统计参数不可避免地会产生人为误差，查算精度较低，造成设计雨洪计算成果不准确。建议水利部门加大对中小流域水文观测站点的建设，以满足中小流域水利工程设计中对实测洪水流量的需求。

[1]中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要[M].人民出版社，2011.

[2]徐德龙，肖华.小流域设计洪水推理公式计算方法探讨[J].人民长江，2000.

[3]陈家琦，张恭肃.小流域暴雨洪水计算[M].北京：水利电力出版社，1985.

[4]河南省中小流域设计暴雨洪水图集[M].河南省水利设计院，1984.

[5]河南省暴雨参数图集[M].河南省水文水资源局，2005.