多种计算在西北城市防洪工程设计洪水中的对比研究

包璐华

(江苏省常州市城市防洪工程管理处，江苏 常州 213000)

1 概述

某研究区域，远离海洋，高山环绕，是典型的内陆干旱区。水资源以冰川融水、地表径流、地下径流等不同形态存在，多年平均降水量342 mm(1954-2015年)，降水主要发生在夏季(6-8月)，夏季降水量区间大多位于20～60 mm之间[1]。东西两侧为低山丘陵区，分布有大小15条山洪沟。这些山洪沟植被稀少，集水面积多在几十平方公里以下，平时大多没有径流，但常发生春季融雪洪水和夏季暴雨洪水。洪水穿过下游人口稠密区、重要工业区和重要交通设施，给社会经济发展和人民生产生活造成极大损失。1980 年该市区东部山区春季融雪洪水洪峰流量达15.0 m3/s[2]，造成东大渠排洪渠发生漫溢，洪水直下市区；1979 年4 月市区西部山区一带突降暴雨，数条山洪沟洪水泛滥，洪水冲入仓库、街道洪水横流。据统计，各类洪水造成的经济损失多达数亿元人民币[2]。市区周边山洪沟作为洪水频发地区，是防洪的重点区域。

由于山洪沟多数缺乏实测水文资料，在进行洪水计算时，只能采用无资料地区设计洪水计算方法[3]。目前，国内采用的无资料地区设计洪水计算方法主要有: 根据流量资料推求设计洪水，如洪峰模数法、水科院法等；根据雨量资料推求设计洪水如推理公式法、产汇流单位线法等，亦可采用地区经验公式推求设计洪水。本文选取洪峰模数法、推理公式法、调蓄经验单位线法、面积比指数法进行研究区设计洪水计算，并对比分析，推荐适合本地区的计算公式。

2 研究区概况

本次计算分析案例，选取位于该市东部山前丘陵地区的某一湾河。该地发源于低山带，为河流支流，主要由基岩裂隙水和大气降水补给，是一条常年径流的泉水型河流[4]。该河湾除在山口处)建有0.9 km 防洪渠外，其余均为天然河道，其右岸有两条较大的山洪沟，洪水类型主要有融雪型洪水、雨雪混合型洪水和暴雨洪水三种类型，河道全长15.78 km，防洪体系为水库和排洪渠同用的形式。河道两岸主要为农田、居民区和少量的工矿企业。受人类活动的影响，一些小山洪沟已没有明显的汇流和泄洪通道；此间河道左岸汇水面积小，主要以坡面汇流为主，无明显洪沟汇入；右岸为低山丘陵区，有众多山洪沟，但最终汇集成两条较大的山洪沟汇入主河道。本次计算选取洪水汇入点断面作为河道特征水文断面进行分析计算，该断面汇水面积39.2 km2，河道长度16 km。

计算选择英雄桥水文站、阜康白杨河水文站两个国家基本水文站作为参证站。英雄桥水文站是乌鲁木齐河水量控制站，地理坐标为东经87°12′，北纬43°22′，集水面积924 km2[5]，有1958-2016年水文资料；白杨河水文站是阜康市白杨河上游的流域控制站，地理坐标为东经88°32′，北纬44°03′，集水面积252 km2，1962年10月设立并观测至今。

3 洪水计算方法

3.1 推理公式法

推理公式法又称合理化公式，是利用暴雨数据推求小流域设计洪水的常用方法之一。因该市周边山洪沟设计洪水都属于小流域洪水计算，故采用《水利水电工程设计洪水计算规范》(SL44-93)推理公式[2，6]，计算方法如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Qmp为设计洪峰流量，m3/s；Sp为设计雨力，mm/h；τ为汇流历时，h；tc为产流历时，h；n为暴雨衰减指数，根据地区综合关系，本次计算中取n1=0.7，n2=0.8；μ为净雨历时内平均损失率，mm/h；F为流域面积，km2；m为汇流参数；L为河流长度，km；J为河道平均比降；

计算中，分为全面汇流和部分汇流两种情况考虑，即当tc≥τ时为全面汇流，tc<τ时为部分汇流。根据不同时段分别选取相应的暴雨衰减指数n1、n2。

3.2 调蓄经验单位线法

根据资料查得冲洪沟区域最大24小时逐时雨量分配过程，结合区域最大24小时设计面雨量计算逐时设计面雨量；根据求得的产流期平均损失率切割逐时设计面雨量，计算得出产流期平均净雨强度用以进行汇流计算[7]。确定汇流计算时段，依次计算各时段的净雨流量并进行叠加，得到地面径流过程线，进而得到设计频率的洪水过程。调蓄经验单位线基本公式为：

(5)

式中：Qi为各时段流量，m3/s；h为净雨深，mm；F为流域面积，km2；Δt为计算时段，取2h；μ为净雨历时内平均损失率，mm/h；

3.3 水科院法

根据《水利水电工程设计洪水计算规范SL44-2006》[6]，水科院法洪峰流量计算公式为：

(6)

式中：Qmp为设计洪峰流量，m3/s；Sp为最大一小时雨量，mm/h；φ为洪峰径流系数；τ为汇流历时，h；n为暴雨衰减指数，根据地区综合关系，本次计算中取0.7；

3.4 面积比指数法

参考《铁路工程设计手册—桥涵水文》中：流域面积小于100 km2，面积指数大于0.7，考虑到该湾河出山口后汇水面积大于山区部分，洪水类型为暴雨型洪水，而选取的白杨河和英雄桥参证站为融雪型+暴雨型洪水，二者之间洪水类型有一定的差别，故本次计算时面积指数取0.8。但由于本次分析计算的小山洪支沟积水面积均不足1 km2，且纵坡较大，产汇流汇水时间较主沟更短，洪水更易汇集，因而在分析中该湾河及主沟断面处面积指数取0.8，小支沟面积指数取0.7。

4 设计洪水成果

针对研究区域的具体情况合理选取相关参数，采用上述四种设计洪水计算方法，分别对两个参证站、5种设计频率下进行洪水计算。采用频率曲线分析法计算理论频率值，根据各参证站多年最大1日降水量资料进行设计暴雨计算，参考地区最大1日降雨量与最大结果24小时降雨量分析成果，根据地区时面深的关系，将最大日降雨量换算为最大24小时降雨量，小流域由点雨量代替面雨量，由点面雨量折算系数1.0进行换算。线型选用P-Ⅲ型，以目估适线法适线。结果如表1所示。

对表1分析可知，四种方法计算成果差异性较大，其原因与洪水计算方法的适用性有关。查阅地区中小流域设计暴雨洪水图集可知：调蓄经验单位线法适用于范围限于50～1 000 km2的中小流域。采用推理公式法计算小流域暴雨洪水，需借助有关洪水调查成果率定有关参数的选择范围。而面积比指数法是无资料地区设计流域与参证流域集水面积相差较大情况下计算设计流域洪峰流量的有效方法之一。四种方法与相应频率下设计洪水理论值的偏离率如表2所示。

表1 设计洪水成果表

表2 不同计算方法设计洪水偏离率

由表2分析可知：用不同方法计算设计洪水时，推理公式法、调蓄经验单位线法以及面积比指数法计算的设计洪水的偏差率具有随洪水频率的减小而先减小再增大的趋势；水科院法计算的设计洪水的偏差率则呈现出随着频率的减小而增大的趋势。从计算值比较分析可以得出：计算设计洪水最大偏差为推理公式法2%频率下的对应设计洪水，偏差40.2%，且推理公式法与产汇流区下垫面、河道纵坡和汇水面积等有很大关系，考虑到后期山洪沟实际情况，其计算成果偏大；偏差最小的为水科院法计算的20%频率下设计洪水的-9.2%偏离率，虽然与理论频率值偏差不大，但整体计算成果偏小，综合下游大学校区等防洪安全因素考虑；面积比指数法计算的5%频率下的9.7%偏离率，且该种计算方法在其余各频率下的偏离率也较小，面积比指数法在最符合实际情况也更为安全。

5 结语

本次分析的山洪沟汇水面积不超过100 km2，但纵坡较大，根据城市新区规划，这些山洪沟汇水区大部分规划为绿化用地，少部分较为平坦的规划为建设用地。后期随着汇水区下垫面植被条件的改善，对削减洪水有一定的作用。本文通过对推理公式法、调蓄经验单位线法、水科院法以及面积比指数法4种设计洪水计算方法进行对比分析，得出以下结论：在对乌鲁木齐山洪沟小流域进行山区洪水计算时，缺乏实测水文资料情况下，采用推理公式法、调蓄经验单位线法设计成果都偏大，水科院法计算成果偏小，面积比指数法与理论值最为接近，可靠性和安全性较高，推荐使用。