青海省化隆县黑城沟“20160814”洪水重现期分析

任亮明

(民和县水利管理站，青海 民和 810800)

0 引 言

2016年8月14日，黑城沟流域发生洪水，化隆县牙什尕镇局部河段防洪堤被冲毁，造成了重大的经济损失。因此，开展黑城沟洪水调查，确定最大洪峰流量以及确定重现期对今后灾情评估具有十分重要意义。

1 基本概况

1.1 流域概况

黑城沟发源于拉脊山脉南麓，河源海拔3 400 m，地势总体北高南低。自北向南流经双格达、扎拉毛、扎巴镇、拉让滩、拉公麻村、完尕滩、下多巴村等，最后经牙什尕镇入黄河，沟道宽度为45～70 m，呈U型不对称，自然坡度10°～15°。

黑城沟流域的防洪工程沟道相对高差约100 m，耕地及村庄分布于沟道两岸I、II 级台地上，阶面宽50～500 m，略倾向于河床。沟道治理段前半段I 级台地较窄，右岸斜坡台地高于河床2.0～30 m，左岸盘龙曲玛村高于河床30 m左右；后半段黑城沟出口的冲积山，台地较开阔右岸高于河床1.5 m左右，左岸河床基本持平。

1.2 气候特征

化隆县牙什尕镇地处中纬度内陆高原，属典型的大陆性气候，冬季漫长，夏季凉爽，气候干燥，气温日差较大，无霜期短。降水量在时空分布上很不均匀，时间上冬春较为干旱，夏秋则常有局地暴雨和连阴雨发生，日照时间长，日照充足，太阳辐射强，年日照时数2 373～2 910 h，区内多年平均气温8.4℃，年平均最高气温19.8℃，年平均最低气温-5.5℃，年无霜期170天，最大冻土深度82 cm，年降水量291.5 mm，6-9月份降雨量最多，占全年降雨量的77%。年蒸发量为1 450 mm，年平均风速为2.0 m/s，最大风速为17 m/s。

2 洪水调查

2.1 历史洪水调查成果

据《青海省洪水调查及水文分析资料》[1]中黄河流域共和、贵德、化隆、循化所属主要支沟洪水调查成果表记载，黑城沟附近左岸黄河一级支流雄先沟、昂思多沟等发生过25～100年一遇的暴雨洪水。洪水调查资料中记载的主要为黑城沟流域上游小支沟的历史洪水调查成果，见表1。

表1 黑城沟流域主要支沟洪水调查成果表

2.2 黑城沟流域“20160814”洪水

1990至2015年期间，该河流曾发生过3～4次大洪水。其中1990年洪水最大，洪水漫过河流右岸公路，下游三叉路口居民地被淹，未听父辈说过该河流发生过更大的大洪水。由于历史洪水发生时间较早，河床为砂砾石，冲淤变化较大，且河道近期受人类活动影响较大，不易确定历史洪水洪痕位置。

2016年8月14日20时30分至8月15日凌晨3时，化隆县牙什尕、查甫、扎巴、昂思多4乡镇境内遭遇强降雨天气，致使4乡镇44个村、10 000人受灾。此次降雨持续时间长、强度大，4乡镇农作物、基础设施及家庭财产损失严重。

本次洪水调查对此次洪水受损最严重的4 km河段进行了查勘，通过实地查勘、被访者指认，查勘河段洪水冲刷严重，痕迹明显。为确保此次洪水调查的准确性，走访调查了化隆县牙什尕镇下一村村民：此次洪水发生在2016年8月14日晚上，持续时间短，水量大，洪水夹杂着大量的泥沙和树木等漂浮物等，洪水呈红褐色，十分黏稠。

按照《水文调查规范》[2]要求，洪水调查所选择的河段应基本顺直，河床相对稳定，断面形状沿程变化不大，无卡口、急滩及较大的深潭，水流通畅，无明显回流区和其它阻水现象，洪痕明显。洪痕水面线没有明显转折，洪调河段无支流加入及分流现象，大水时无流向分叉及斜流现象。黑城沟沟道流域面积207 km2，沟道长度为29 km，平均比降60‰。洪水调查断面选择在黑城沟牙什尕镇入黄河口段，地理坐标为E101°56′，N36°04′。调查河段布设上、中、下3处断面，各断面间距50 m，用四等水准施测横断面、纵断面及洪水痕迹高程，洪水调查大断面及洪痕见图1。

图1 洪水调查大断面图及洪痕图

2.3 洪峰流量确定

根据《比降-面积法测流规范》(SL 174-1985)[3]，洪峰流量采用恒定非均匀流公式计算：

(1)

黑城沟2016年8月14日调查洪水成果见表2。

表2 黑城沟洪水调查成果统计表

3 设计洪水计算

由于黑城沟流域没有实测洪水资料，根据文献[4-6]等规定，对于无资料地区，设计洪水的计算方法主要有洪峰流量模数法、设计暴雨推求设计洪水、地区经验公式和水文比拟等方法。根据计算区域的暴雨洪水特性，通过合理性分析后确定符合实际的设计洪水成果。

3.1 洪峰流量模数法

(2)

3.2 设计暴雨推求设计洪水法

3.2.1 设计暴雨

3.2.2 产流计算

影响黑城沟流域产流的主要因素是降雨量和雨强，分析降雨量和损失之间的关系时，主要考虑雨强的影响。采用扣损法进行产流计算，计算公式：

(3)

式(3)中参数μ0，D，ɑ选用《青海省东部地区暴雨洪水图集》中综合外延后浅山脑山混合区的值，即μ0=37 mm/h，D=42，ɑ=0.30。采用试算法求解μ和tc，用μ值在设计暴雨时程分配图主雨峰处进行平割，求得设计净雨R。

3.2.3 汇流计算

采用推理公式进行汇流计算。目前水利部门最为广泛应用的推理公式形式是水科院法，属于半推理半经验的概念性模型。其基本形式为：

(4)

当τ≤tc时，洪峰流量Qm系由全部流域面积上τ时段内的最大净雨所形成，即全面汇流，计算公式为：

(5)

当τ>tc时，洪峰流量Qm系由部分流域面积上tc时段内的全部净雨所形成，即部分汇流，计算公式为：

(6)

3.3 经验公式法

《青海省水文手册》[8]中点绘了重现期为1 000，500，200，100，50，20，10年年最大流量与流域面积的关系，综合后共分成9个区，分别建立了相应的经验公式。根据黑城沟流域面积，计算相应设计频率的最大流量。

3.4 水文比拟法推求设计洪水

水文比拟法适合流域自然、地理、气候下垫面条件相似的地区和具有上下游关系及区间无其它支流汇入的设计洪水计算[9]。计算公式：

Q设=(F设/F参)2/3Q参

(7)

式中：Q设为设计断面的洪峰流量，m3/s；Q参为参证水文站的洪峰流量，m3/s；F设为设计断面的面积，km2；F参为参证水文站的面积，km2。

黑城沟和巴燕沟同属黄河左岸一级支流，面积相近，巴燕沟上设有化隆水文站，流域面积217 km2，河道平均比降40.2‰，资料代表性好，采用化隆水文站作参证站进行黑城沟的设计洪峰流量计算。

4 设计洪水计算结果选取

黑城沟流域不同频率的设计洪峰流量采用推理公式法、洪峰流量模数法、经验公式和水文比拟法进行了计算。不同方法计算成果比较见表3。

从表3中可以看出，计算结果差异较大。究竟采用何种方法的结果较为合理更接近实际情况，需从4种方法的假定条件及适用情况出发对比分析合理确定。

推理公式属于半推理半经验的概念性模型，该法有两个假定：一是假定很多由暴雨形成洪水的环节全流域一致(平均)；二是假定汇流符合线性规律。这与实际不相符，导致结果产生误差；经验公式法是建立在某地区和邻近地区的实测洪水和调查洪水资料基础上，探求地区经验性的规律。由于受地区内各站降水均匀程度及流域内自然地理条件的影响，使用该方法有一定的局限；水文比拟法是以化隆水文站的年最大流量与面积所定的关系移用到黑城沟流域的，是在假定参证站与设计站洪峰流量模数相同的基础上进行的，采用化隆水文站计算黑城沟流域设计洪水结果偏小；洪峰流量模数等值线图考虑了流域下垫面的变化情况，是统计分析和地区综合的结果，此方法相对正确合理。

综上所述，考虑防洪工程的安全，选用洪峰模数等值线法计算的设计洪峰流量更为合理，结果可信度较高，可作为黑城沟设计洪水的最终结果。黑城沟流域20年一遇设计洪水流量104 m3/s，其值与《青海省化隆县黑城沟防洪工程初步设计报告》[10]中的成果接近(Q5%=96.25 m3/s)。

5 结 论

1) 通过对黑城沟流域2016年8月14洪水进行实地踏勘、调查、访问、洪水调查，采用恒定非均匀流公式计算洪峰流量为132 m3/s。

2) 对黑城沟流域设计洪水分别采用推理公式法、经验公式法、洪峰流量模数法和水文比拟法，进行不同重现期的设计洪水计算。按照“多种途径，综合分析，合理选定”的原则，并从防洪安全角度考虑，确定黑城沟流域采用洪峰模数等值线法计算的设计洪水成果，即100年、50年、30年、20年和10年一遇设计洪水流量分别为179，146，123，104和74.1 m3/s。

3) 2016年8月14日发生的暴雨洪水洪峰流量为132 m3/s，相当于调查断面40年一遇的洪水。