晋祠灌区干渠节水改造工程场址断面设计洪水计算

张瑞其

(太原市晋祠水利管理处，山西 太原 030025)

1 工程概况

晋祠灌区处于汾河冲积平原边与山前倾科平原的交接地带，北部山区有岩石露头，灌区内均为第四纪冲积洪积物覆盖，风峪汤、柳子沙河、南峪沙河等三条较大的季节性河流横贯入汾河将灌区分割为数块。姚村镇东的柳子沙河二坝西干渠兴建于二十世纪五六十年代，受制于建设时期的资金、技术水平限制，施工质量不高，经过数十年的运行后，渠道淤积日益严重，渠身破损，很难继续发挥正常的防渗作用。

2 工程场址断面设计洪水计算

晋祠灌区干渠节水改造工程场址断面为20+300～30+000，洪水计算断面分别设置在20+800、24+442、25+560、29+935处，计算断面代表性测站分别选取二坝、寨上、新绛、河津等站。选取晋祠灌区干渠相邻流域的柳子沙河气象站为工程场址洪水概算参证站。

2.1 地区洪峰流量模比系数综合频率曲线法

拟建工程场址洪水资料缺乏，给设计洪水计算带来一定难度，拟采用《工程水文及水利计算》中所提出的“洪峰流量模比系数地区综合频率曲线法”进行调查断面设计洪峰流量推求[1]。即利用汾河流域诸河年最大洪峰流量模比系数综合频率曲线历年实测最大洪峰流量资料，计算二坝、寨上、新绛、河津等站洪峰流量模比系数，并将其经验分布情况点绘于概率格纸，再进行适线得出地区洪水频率曲线。

晋祠灌区干渠设计流域的降水、径流、下垫面条件与参证流域非常相似，只存在流域面积方面的不同，采用“中值法”确定综合频率曲线很可能会出现所谓的“均化现象”，为此本文采用经验适线法，通过所收集的灌区干渠节水改造工程场址断面水文资料，绘制洪峰流量模比系数地区综合频率曲线，具体见图1。

图1 各河年最大洪峰流量模比系数综合频率曲线

在综合频率曲线的基础上推求场址断面设计洪峰流量，具体按下式：

(1)

式中：QP为设计洪峰流量，m3/s；KP为频率为P的洪峰流量模比系数；Qd为调查历史洪水洪峰流量，m3/s；Kd为调查洪水洪峰流量模比系数。

根据工程场址历史洪水调查值进行设计洪峰流量计算，拟建防洪堤工程场址处历史洪水洪峰流量调查值分别为8.46 m3/s、5.12 m3/s、5.38 m3/s和4.14 m3/s，调查时间为1999年～2014年，7月～8月是该灌区洪水出现频率最高的时间，根据推算该项目区洪水考证期N=2014-1999+1=17年，频率P=1/(16+1)=5.88，通过综合频率曲线查得本次调查洪水的Kd为3.50，按照此方法所推求的晋祠灌区干渠节水改造工程场址断面设计洪峰流量成果见表1。

表1 工程场址处设计洪水计算成果表

2.2 推理公式法

推理公式又称合理化公式，是充分根据地区综合分析法间接推求灌区干渠节水改造工程场址断面设计流量的一种半理论半经验算法。本文采用在工程设计中使用较广泛的水科院法推求调查断面设计洪峰流量。本文采用柳子沙河气象站历史资料，对工程场址洪水进行概算。

2.2.1 设计暴雨计算

因柳子沙河靠近西北山区暴雨中心带，其特点是降水过程断断续续，降水强度时大时小，降水形态各有不同。暴雨分布是山区大于平原，局地性暴雨常见。不论是平水年还是丰水年，低涡、冷锋低槽等都能造成小范围大暴雨。从柳子沙河气象站50 a资料系列中可以看出，本地区暴雨主要分布在5月～8月，历时1 h且大于40 mm的暴雨仅有2次，历时1 h且大于10 mm的大雨发生频次为50%。

柳子沙河气象站已有历年连续完整的降水资料，设计暴雨计算，采用5月～9月最大一日降水量序列数据，利用矩法[2]进行其资料的概算，通过适线法进行P-Ⅲ频率曲线选配，最后进行洪水系列特征值的推求。连续年最大24 h降水量经验频率按下式计算：

(2)

式中：P为5月～9月最大24 h降水量频率；m为5月～9月最大24 h降水量排序；n为实测系列年数，取n=51。

经P-Ⅲ频率曲线适线，柳子沙河气象站设计5月～9月最大24 h降水量频率计算成果见表2。

表2 柳子沙河气象站设计5月～9月最大24 h降水量成果表

2.2.2 设计洪水计算

(1)设计洪水计算公式

推理公式法又称合理化法，特点是结果给出最大流量值，公式中的损失(产流)参数μ、汇流参数m虽有物理意义，但不是真实的物理量。若把理想条件下的参数定量关系直接用于计算实际洪水，会导致较大误差，故按照《工程水文及水利计算》提供的计算程序进行计算：

QP=0.27ψ(SP/τn)F

(3)

(4)

SP=P24/n1-n

(5)

其中：QP为设计频率P的洪峰流量，m3/s；ψ为径流系数；SP为与频率P所对应的雨力，mm/h；τ为汇流时间，h；n为暴雨递减指数；F为汇水区面积，km2；J为河道平均坡降；μ为产流参数。

计算中，分tc>τ全面汇流和tc<τ部分汇流两种情况进行洪水计算，并分别进行所对应暴雨指数n1、n2的试算，最终确定出洪峰流量设计值。其中，tc为产流历时，按下式确定：

(6)

式中：μ为在净雨历时内所发生的降水损失率均值，mm/h。

(2)主要参数

①集水面积F、主河沟长度L及平均坡降J的确定

在1∶10000比例的地形图中绘制出灌区干渠节水改造工程各冲洪沟分水岭，并以此为依据进行改造工程各特征参数的量算：根据所调查洪沟断面以上各冲洪沟所围成的最大集水面积进行面积F的计算，再根据各冲洪沟最远流程量确定出沟长L，比降J则通过加权平均加以确定。

②设计雨力

h24P=KH24P

(7)

③汇流系数m

表3 θ与汇流参数m值关系表

④暴雨递减指数n1、n2

本工程场址断面洪水计算中暴雨递减指数采用《太原市可能最大暴雨图集》所提供的数据，即n1=0.7；n2=0.8。

⑤平均损失率μ值

各参数数据根据本地实际情况选取，降雨均值17.5 mm、暴雨衰减指数0.68，套入式(3)～式(6)，经试算得出工程场址调查断面20+800、24+442、25+560、29+935的洪峰流量，计算结果见表4。

表4 工程场址河段设计洪峰流量成果表

3 设计洪水合理性分析及其成果推荐

以上工程场址设计洪峰流量计算，经上述两种方法计算不难发现，地区洪峰流量模比系数综合频率曲线法计算成果较可靠，能满足本次工程场址设计洪水计算要求。经验公式法的最大优点是，在本工程场址地区大中流域长系列洪峰流量实测资料的基础上分析、综合而最终得到区域断面设计洪水计算结果。所选取资料的可靠性以及可操作性有保证，而且也省却了参数设定的繁琐过程，在计算其设计洪峰流量时，充分考虑流域及河流参数，如河流集水面积、河长、纵坡、流域形状系数、最大1日降水量等。地区综合经验公式法相对繁琐、工作量大，考虑因素要较全面，地区综合经验公式法的地域针对性太强，部分设计参数的确定较难，对于特别小的流域精度难于保证。

基于以上对比分析，充分考虑所采用计算方法以及所选取计算参数的可靠性以及计算结果的合理性适用性，工程成本以及工程场址实际情况等，决定采用地区洪峰流量模比系数综合频率曲线法的设计洪水计算成果(即表1)作为本次工程场址设计依据。

4 结论

通过对晋祠灌区干渠节水改造工程场址断面设计洪水计算方法及计算过程的对比分析表明，地区洪峰流量模比系数综合频率曲线法所求得的区域洪峰流量设计计算结果精度和安全性更高，考虑到晋祠灌区干渠洪水类型的多样性，干旱区域内陆河流突发性暴雨洪水洪峰流量模数较大，其结果也更具合理性，本文所进行的计算也是对灌区中小流域干渠节水改造工程洪水计算的有益探索。