长丰河成县城区段设计洪水计算及合理性分析

肖玲芳

(甘肃陇南水文水资源勘测局，甘肃 成县 742500)

1 区域概况

长丰河[1]是嘉陵江一级支流，长江的二级支流，河流全长150.5 km，全流域面积1 800 km2。长丰河80%以上流域面积在甘肃境内，处于徽成盆地成县境内，流域内洪水相对稳定，主要集中在6-9月，成县城区以上被称为青泥河，当较大支流南河汇入后，称长丰河，干流设有成县水文站，南河设有南河桥水文站，但资料系列相对较短。长丰河成县城区段河流比降较小，河道滩地多景观植物，发生洪水时，糙率相对较大。

2 资料及方法

成县水文站建站较早，具有近60 a实测洪峰流量和多年洪水调查资料，洪水资料为组成不连续序列样本资料，采用南河桥水文站实测资料及洪水调查资料[2]，该站系列资料较短，在设计洪峰流量及洪水过程时采用面积比拟法、合成法，利用P-Ⅲ型分布作为理论频率曲线进行频率计算。

3 设计洪峰流量计算

3.1 成县站设计洪峰流量计算

将成县站的多年实测的最大洪峰流量极值挑选出来，按照从小到大的顺序排列起来，根据下述的经验公式，估算出该站洪峰流量频率，根据频率计算重现期[3]。

(1)

当需要对洪峰流量特大值进行处理时，可按照下列经验公式处理，从而估算出经验频率。

(2)

式中：N为样本总长度；n为实测系列长度；a为特大洪水总数；Mi为第i个特大洪水排序号，m为第i个实测洪水排序号。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：φp可由P和Cs查P-Ⅲ型分布中φ值表得到。

依据上述原理，利用频率计算程序，计算求得成县水文站洪峰流量均值为320 m3/s，

Cv=1.40,Cs/Cv=3.0，50年一遇设计频率对应的洪峰流量为1 790 m3/s。成县站不同频率设计洪峰流量计算见表1。

表1 成县站不同频率设计洪峰流量

3.2 面积比拟法推求设计洪峰流量(方法一)

长丰河成县长丰河城区段集水面积为1 101 km2，占成县水文站集水面积(1 502 km2)的73.3%。可以用面积比拟法[4]把成县水文站的设计洪峰流量折算为长丰河城区段的设计洪峰流量，用参证站的设计洪峰流量推求设计站的洪峰流量的面积比拟法公式如下：

(7)

式中：Q参、Q设为参证站、设计站的洪峰流量(m3/s)；F参、F设为参证站、设计站的流城面积(km2)。用面积比拟法推求的长丰河城区段设计洪峰流量成果见表2。

表2 长丰河城区段不同频率设计洪峰流量表

3.3 合成法推求设计洪峰流量(方法二)

长丰河成县城区段以下3 km处为成县水文站，中间有较大支流南河汇入。南河桥以上流域面积为375 km2，与长丰河城区段集水面积1 101 km2之和占长丰河成县站流域面积的98.3%，因此，可以认为成县站的洪水就是由长丰河上游与南河的洪水合成而来。南河在1985-1990年期间设有南河桥水文站，有6年的实测南河洪峰流量资料，另外还有19 a的年最大洪水调查资料，最大流量资料系列25 a。因而可以用降雨径流资料或南河与长丰河成县站的资料插补延长南河的洪峰流量资料，进而对南河的洪峰流量进行频率计算，然后用成县站和南河桥站的设计洪峰流量相减得到成县城区的相应设计洪峰流量资料。

由于雨量站观测段次的原因，建立的降雨径流相关关系较差，不宜用来插补延长南河的洪峰流量资料。而长丰河成县站与南河南河桥站的洪峰流量资料相关关系较好[5]，可以用来插补延长南河桥站的洪峰流量资料。用插补延长后的南河桥洪峰流量系列资料进行频率计算，计算参数为:均值132 m3/s，Cv=1.40，Cs/Cv=3.0。南河桥水文站设计洪峰流量以及推求出的城区段设计洪峰流量成果见表3。

表3 城区段设计洪峰流量成果(合成法) m3·s-1

4 确定洪峰设计流量

从面积比拟法与合成法得出的长丰河城区段洪峰设计流量结果来看，合成法的结果明显偏小。由于南河桥水文站实测资料只有6 a，洪水调查资料有19 a，而且较大洪峰流量点据较少，其余26 a洪峰资料全部为插补值，可靠性一般，因而频率计算结果只能作为参考。另外再考虑到安全因素，选择面积比拟法的计算成果作为城区段洪峰设计流量的采用结果。根据该成果，成县长丰河城区段50 a一遇的洪峰流量为1 490 m3/s,100年一遇的洪峰流量为1 910 m3/s。

5 设计洪水过程

选取成县站1984年8月3日实测最大洪水(洪峰流量为1 210 m3/s)过程，作为成县城区段典型洪水过程线，采用同频率放大法推求50年一遇的设计洪水过程[6]。

5.1 设计洪量的计算

经过对成县水文站实测的1日、3日和7日最大洪量进行频率分析算，得出不同保证率的洪量数值。再用面积比拟法，推求出成县长丰河城区段1日、3日和7日最大洪量不同保证率的洪量数值。

采用面积比拟法进行设计河段洪量计算，公式如下：

(8)

一般河流n值为0.7～1.0。计算时，面积比的幂次方n值取经验值0.9。

5.2 典型洪水过程线

经过对成县水文站实测资料分析，1984年8月2日2:00-8月9日2:00的洪水过程具有峰高量大、洪水历时较长的特点，而且是对工程建设偏于不利的复式峰型，因此选作长丰河城区段典型洪水过程[7-8]。其洪峰流量及各时段洪量[9]见表4。

表4 洪峰流量及各时段洪量

5.3 设计洪水过程

在设计洪水过程计算中，本次采用同频率放大法[6]，由于该城区河段设防标准为50年一遇，按照这个标准，根据以下公式计算：

图1 设计洪水过程与典型年洪水过程线图

5.4 设计洪水位计算

根据1964-1967年、1972-1974年、1983-1985年成县水文站实测糙率及比降资料进行分析，成县站流量与糙率、流量与比降关系都比较散乱，但存在一定的数值取值范围。不同流量对应的河床糙率在0.020～0.070之间，水面比降值在5.0/10 000～40/10 000之间。分析上游东河城区段至成县水文站区间河段的河床组成和平均坡降，以及成县水文站的实测资料，并考虑到该项目工程建成后的河道状况，即考虑河堤内侧覆土处理、河道内修筑溢水坝、两岸河堤内种植树木、修建景观节点以及河道中间营造湿地公园等工程措施对糙率和水面比降的影响，分不同水位级估算了长丰河城区段三座大桥附近处的糙率和河道水面比降。成果表见表5。

表5 长丰河城区段三座大桥断面不同频率设计水位成果表 m3·s-1

6 成果合理性分析

6.1 水位与糙率、比降关系合理性分析

成县站不同水位级河床糙率在0.020～0.100之间，高水位时，糙率主要在0.035～0.045之间，考虑到该工程建成后，低水有较多硬性建筑物，且河道要弯曲，这些都会增加河床糙率，因此中高水位糙率取0.040～0.045之间，在中低水位最大取至0.070。查《甘肃省天然河道糙率表》，河床糙率选用是合理的。

在实测水面比降资料中，水面比降值在5.0/10 000～45/10 000之间。长丰河城区段计算设计洪水位时，水面比降值在10/10 000～40/10 000之间，与该河段实测的河段纵比降数值接近。再考虑到河道水面附加比降的影响，水面比降选用基本合理。

6.2 洪峰流量成果合理性分析

6.2.1 与邻近流域资料对比分析

本次对比分析，采用西汉水流域镡家坝站与长丰河成县站设计洪水成果对比，结果见表6，以实测系列进行频率分析，成县站Cv值1.4,大于镡家坝站Cv值1.2。符合流域越小，Cv值越大的普遍规律

表6 相邻流域设计洪水成果对照

6.2.2 与《甘肃省水文图集》中成果相比较

本次分析计算P=1%及P=2%设计洪水洪峰流量成果，与《甘肃省水文图集》中设计洪水成果均比较接近，详见表6。本次计算成果比《甘肃省水文图集》中成果略小，主要是两次分析使用实测资料系列长短不一所致。经过以上分析，本次设计洪水成果合理、可靠，可作为该河道工程建设设计依据。

表7 成县站设计洪水成果对照

6.2.3 水位-流量关系合理性分析

绘制了本次设计水位流量关系曲线，线型趋势合理，水位流量关系线可靠，由设计流量推求的设计水位时合理的。

7 结语

通过上面的计算，在计算设计洪峰流量及洪水过程时，面积比拟法计算的结果相对准确，而合成法计算的结果偏小，主要原因是南河桥水文站资料系列太短，通过合理性检查，本次计算的洪峰流量、洪水过程、水位过程合理、可靠，满足该项目建设的需要，但是在项目建设中，应根据河流实际情况，及时修订该成果，保证项目建成后的防洪安全。