无资料地区推求设计洪水的探讨

陈 茜

(辽宁省水文水资源勘测局辽阳分局，辽宁辽阳111000)

1 概述

辽宁省灯塔市东部为山区，西部为平原，河流多属山溪性河流，在这些小流域上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，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。

葛西河是流经灯塔中心城区的唯一河流，是灯塔新城重点建设的滨水景观带。为了缓解景观带交通压力，计划在葛西河上修建一座跨河大桥，同时加高堤坝，需推求5 a、100 a一遇的洪峰流量和设计水位。

2 基本情况

2.1 流域概况

葛西河是北沙河的支流，发源于灯塔市铧子镇荣官屯村和西大窑乡茨山村东沟。在西马峰镇后葛针泡村西高丽荒与幸福河汇流入北沙河。河长32 km，流域面积124 km2。河道比降较大，流急弯多，堤窄，是防洪险工重点地段［1］。

2.2 水文气象

由于特定地理位置及季风气候影响，流域内降水量四季变化明显，年内分配很不均匀。冬季受冷高压控制，寒冷雪少，历时较长;春季冷高压开始北撤，东南季风入侵较晚，一般6月份才进入雨季，7—8月份为降雨全盛时期。受台风、气旋等天气系统影响，较大降水过程一般集中在3 d以内，而且多以暴雨形式出现。最大3 d雨量一般约占年量的15%左右。多年平均年降水量720.8 mm，日最大降雨量156.9 mm。

3 暴雨洪水特性

3.1 暴雨特性

葛西河发生暴雨的天气系统主要有华北气旋、低压冷锋、江淮气旋、高空槽、台风等。这类天气系统暴雨一般可连续2～3 d，雨型呈东北西南向或西南西到东北东带状分布，由于雨量大笼罩面积亦大，故葛西河发生特大暴雨时，相邻的浑河、太子河都有发生。发生洪水的暴雨日期和洪水日期基本一致，两者多出现于7、8两月，约占全年的85% ～95%;其中又以7月下旬、8月上旬为最多，约占全年的56%［2］。

3.2 洪水特性

葛西河洪水过程线的形状一般为单峰类型，洪水历时较短。根据调查资料统计，单峰洪水历时最短1、2 d，相应暴雨为1 d左右，最长 3、4 d，相应暴雨为2、3 d，一般洪水历时一般为2 d左右。连续两次洪水为6 d左右，两次降雨间隔约4 d。

4 设计思路

设计区域位于葛西河中上游，其设计洪峰流量根据《辽宁省中小河流(无资料地区)设计暴雨洪水计算方法》推求。通过洪水调查，采用曼宁公式法计算历史洪水洪峰流量，水位流量关系。设计洪水位的推求，采用水面曲线法推求各断面的洪水位，水位流量关系对设计洪水水面线进行验证分析确定设计洪水水面线。设计区域处水面坡度，参照实测河道纵断面及历史洪水水面曲线确定。设计区域河床正断面，采用断面测量成果确定［3］。

5 设计断面流量

5.1 设计洪水流量

设计洪水流量，采用先推求设计暴雨值，然后推求设计洪水的方法。

采用《辽宁省中小河流(无资料地区)设计暴雨洪水计算方法》中推求方法，根据不同历时的暴雨等值线图，查出区间的1 h、6 h、24 h、72 h的暴雨均值、Cv值、暴雨指数，Cs采用3.5倍Cv。按下式计算出设计暴雨值，见表1。

同样，根据下列公式计算出1 h、6 h、24 h、72 h、的设计点雨量。

式中:Ptp为设计历时暴雨值;n1p、n2p为暴雨折减系数。

表1 设计区域24 h最大暴雨量表 mm

求出设计点暴雨后，然后进行时面深分析，把其转换成面暴雨量，见表2。100 a、5 a一遇洪峰流量的计算公式为:

表2 葛西河设计区域各断面设计流量 m3/s

5.2 设计洪峰流量合理性分析

葛西河兆麟东路桥址断面位于葛西河支流上，设计断面控制面积为16.5 km2。经过水文分析计算，葛西河兆麟东路设计断面处设计洪水过程线图，见图1。

最后确定葛西河兆麟东路桥址断面100 a一遇、5 a一遇流量分别为166 m3/s、40.0 m3/s。

图1 葛西河兆麟东路桥址断面设计洪水过程线

5.3 设计洪水位计算

采用曼宁公式计算设计洪水位。已知曼宁公式为:

首先假定不同的水位，根据各水位级相应的面积、水力半径、糙率及水面比降推求相应的流量，然后建立兆麟水位～流量关系曲线，见图2。

图2 断面水位～流量关系曲线图

通过计算，兆麟东路桥址处断面100 a、5 a一遇设计洪水流量，见表3。

表3 100 a、5 a一遇设计洪水流量

用此流量在水位～流量关系线上查得相应的水位。即兆麟东路桥址断面100 a、5 a一遇设计洪水位，见表4。

表4 100 a、5 a一遇设计洪水位

5.4 糙率的选择

糙率的选定主要是参考《水文测验手册》第一册，《辽宁省水文手册》并经过现场实地查勘，根据河槽的组成，考虑河槽横断面变化、障碍物影响及现有植被、植物等影响后确定。并采用《辽宁省洪水调查资料》对选定的糙率加以认证。糙率值选用0.02～0.04。

5.5 水面坡降的确定

水面坡降参照兆麟东路桥址断面处河道比降及1995年洪水水面线确定。通过实地测量，设计区域处河道纵比降为0.464‰，1995年洪水水面比降为0.360‰。结合河道纵比降及1995年洪水水面线，最终确定设计区域的水面比降为0.400‰。

5.6 洪水水面线推求设计水位

洪水水面线的计算就是从某控制断面的已知水位开始，根据有关水文和地形资料，运用水面曲线基本方程式，逐河段推算其它断面的水位。基本方程式为:

式中:Z1为下断面的水位高程;Z2为上断面的水位高程;hf为上下断面沿程水头损失;hj为上下断面局部水头损失;v1为下断面的流速;v2为上断面的流速;a为动能修正系数。

通过对设计洪水水面线与历史洪水水面线比较分析，设计洪水水面线的水面坡降与历史洪水水面线水面坡降走势一致，因而说明推求的水面线是合理的。经计算，兆麟东路桥址处断面设计洪水位见表5。

表5 兆麟东路桥址处断面设计洪水位表

5.7 历史洪水校验

采用1985年、1995年、2010年洪水对上述水位～流量关系曲线进行校验。通过调查洪痕，1985年、1995年、2010年葛西河兆麟东路桥址断面附近水位分别为32.34 m、32.65 m、30.35 m，通过曼宁公式计算1985年、1995年、2010年流量分别为90.9 m3/s、133 m3/s、33.4 m3/s。由所定水位～流量关系曲线查得流量为92.0 m3/s、134 m3/s、31.3 m3/s。

通过以上对比分析，用曼宁公式推求的洪水水位与历史洪水调查水位基本一致，可以用该水位～流量关系曲线推算100 a、5 a一遇设计洪水水位。

即葛西河兆麟东路桥址断面处100 a一遇、5 a一遇设计洪水位分别为32.86 m、30.78 m。

6 结语

为保证计算成果的质量，在实际工作中，应充分利用一切资料信息，采用多种计算方法，以互相验证互为补充，最后按“多种方法，综合分析，合理选定”的原则计算成果。

［1］曹世惠，柏绍光.由实测暴雨推求设计洪水方法的探讨［J］. 水文，2002，22(01):38-40.

［2］王好，管延海.无资料地区推求小流域设计洪水的探讨［J］. 吉林水利，2011(11):37-40.

［3］陶新红.无实测资料小流域推求设计洪水探讨［J］.河南水利与南水北调，2010(08):19-20.