贺沟口流域护岸工程河道设计洪水计算分析

韩卫东，李晓红，刘建勇，李航锋

(1.宝塔区农村综合改革服务中心，陕西 延安 716000；2.天津大学 环境学院，天津 300350；3.陕西省宝鸡峡引渭灌溉中心，陕西 咸阳 712000；4.陕西瀚泰水利水电勘测设计有限公司，陕西 西安 710000；5.陕西省水文水资源勘测中心，陕西 西安 710068)

1 流域概况

贺沟口流域为杜甫川右岸一级支流，南川二级支流，延河三级支流，最上游位于延安市宝塔区万花乡楼塔村，流经楼塔村、崖窑村、碾庄村，于贺沟口村汇入杜甫川。流域总面积为29.44 km2，河道总长12.9 km，河道平均比降为9.8‰。主要支沟有王家沟，森林沟等支沟，支沟流域面积相对较小。贺沟口流域沟道狭窄，梁峁起伏、沟道密布，沟道发育多为“V”字型，河床宽度最窄处5 m左右，最宽处不超过50 m，河道弯曲程度较大。

2 流域水文站网布设及基础资料

贺沟口流域控制面积较小，流域内无实测水文资料。其附近流域西川河和延河干流分别有枣园水文站和延安水文站。西川河枣园水文站建站于1971年，控制流域面积719 km2，比较完成的长系列水文资料[1]。延安站设立于1958年7月，位于延安市河庄坪乡李家坬村，控制流域面积3 208 km2，为国家基本水文站，有1958年至今的实测水文观测资料(见表1)。枣园水文站控制面积与延安水文站控制面积相比与贺沟口流域面积相对相差较小，本次以西川河枣园水文站作为参证站[2]，作为本次工程水文计算的基础。

表1 延河流域水文站基本资料

3 流域河道设计洪水计算分析

贺沟口流域内无实测水文资料，属于无资料地区，本次主要对流域内的河道设计洪水计算方法及过程进行分析。根据《陕西省延安地区实用水文手册》、《水土保持工程设计规范》(GBT51018-2014)，工程建设洪水计算应采用多种方法进行计算，对比分析确定设计洪水。同时在洪水推求过程中，考虑工程断面上游淤地坝的调蓄作用。贺沟口河道流域出口处控制面积为22.1 km2，主河道长为10.9 km，坡降为9.8‰，本次将上述流域特性数据作为河道洪水计算的依据[3]。

3.1 暴雨特性

贺沟口流域暴雨发生日期最早在4月，最迟到10月，7-9月发生的强度及可能性最大。贺沟口流域暴雨分为两种类型：一种是连阴雨，其特点是历时长，强度均匀，笼罩面积大；另一种是局部短历时暴雨，其特点是雨量集中，历时短，强度大，降雨不均匀，笼罩面积小。一次暴雨历时约24 h左右，其主雨峰约在6 h左右[4]。

贺沟口流域洪水主要是由连阴雨形成的暴雨洪水，由于降雨均匀，历时长，笼罩面积大，加之上游植被条件好，洪水缓涨缓落，峰小量大。局部短历时暴雨形成的洪水，猛涨陡落，峰高量小，峰型尖瘦。

3.2 水文比拟法推求设计洪水

3.2.1 参证站设计洪水分析计算

1)调查历史洪水及重现期的确定

依据陕西省水利厅1984年整编的《陕西省洪水调查资料》和延安市水利水保局编制的《延安地区实用水文手册》，西川河曾在裴庄河段(控制流域面积769 km2)调查到1933年、1953年、1959年三场历史洪水，最大洪峰流量分别为2 350 m3/s(较可靠)、1 060 m3/s(可靠)、1 660 m3/s(较可靠)，按面积比将其移用到枣园站断面(控制流域面积719 km2)，洪峰流量分别为2 250 m3/s、1 010 m3/s、1 590 m3/s。另外1977年、1989年枣园站分别发生了近几十年来最大的洪水，实测洪峰流量分别为1 510 m3/s 、2 460 m3/s[5]。历史洪水调查成果详见表2。

表2 工程附近河段历史洪水调查成果

2)实测洪水系列

枣园水文站有1971-2014年共44年的连续实测洪水系列， 从收集的资料看，1989年7月16日、1977年7月6日两次洪水分别为实测最大洪水和次大洪水，洪峰流量分别为2 460 m3/s、1 510 m3/s。

3)系列代表性分析

从枣园站自建站以来，收集的1971-2014年共44 a的洪水资料和后期通过洪水调查掌握的1933年历史洪水资料，按照规范都属于容量有限的样本。在统计的枣园站44 a洪水系列中，大洪水年份有1989年、1977年、1993年，一般洪水年份有1971年、1992年、2004年，枯水年份有1986年和2006年等。

从均值和Cv的变化曲线可以看出：均值和Cv参数随着系列的增加均趋于稳定，当系列的长度超过32 a时均值变化范围在481～400 m3/s、Cv在1.01～1.12之间。

点绘年最大洪峰流量差积曲线分析可见， 41 a系列差积曲线呈双峰型，洪峰流量随历时的变化有两个丰、枯周期，1971-1987年为一个周期，历时17 a；1988-2014年为一个周期，历时27 a。两个丰、枯周期表示组成的洪水系列具有较好的代表性[6]。

4)洪水频率分析计算

根据枣园站1971-2014年共44年实测年最大洪峰流量系列，以年最大值法选样，特大值选用1989年7月16日最大实测洪水处理，同时将1933年历史调查洪水也加入按不连序系列进行频率计算，经验频率、变差系数Cv分别采用数学期望公式和矩法计算，理论频率偏态系数Cs则按照经验，取Cv的倍比后采用皮尔逊Ⅲ型曲线进行适线。枣园站不同频率洪水成果及统计参数见表3。

表3 枣园站洪水频率计算成果 m3/s

5)成果对比及选用

西川河枣园站洪水频率计算成果由于多次规划、设计过程中进行过修改，以往历次成果与本次计算成果见表4。从表中可以看出，本次计算成果与“城市防洪可研”成果差异较小。鉴于本次计算采用的资料系列更长，资料代表性相对较好，因此本次采用2015年计算值作为本次分析依据。

表4 西川河枣园站历次洪水计算成果比较 m3/s

3.2.2 工程设计洪水分析计算

工程处设计洪水采用面积比拟法进行计算，计算公式为：

(1)

式中：Q工程处为工程处设计洪峰流量(m3/s)；Q参证站为参证站设计洪峰流量；F工程处为工程处控制流域面积(km2)、F参证站为参证站控制流域面积(km2)。

经过计算，得到工程处的设计洪水成果，详见表5。

表5 工程处不同频率设计洪峰流量计算成果表 m3/s

3.3 经验公式法推求设计洪水

按照《延安地区实用水文手册》中介绍的洪峰流量汇水面积相关法经验公式，计算工程处的设计洪峰流量。计算公式为：

QN=KN×Fn

(2)

式中：QN代表重现期为N的设计洪峰流量(m3/s)；F代表设计流域面积(km2)；KN、n代表重现期为 N 的经验关系式参、指数。

工程位于黄土丘陵沟壑Ⅱ区，根据《延安地区实用水文手册》中的洪峰面积相关公式参数表，查算经验公式的参、指数，经过计算，求得贺沟口护岸工程处的设计洪水，计算成果见表6。

表6 经验公式法设计洪水计算成果表

3.4 综合参数法推求设计洪水

根据《延安地区实用水文手册》多因子综合参数经验公式，设计洪峰流量计算公式为：

QmN=CNα·Fβ·ψ·γ·H3N·η

(3)

式中：QmN为设计频率为 N 的设计洪峰流量(m3/s)；N为设计重现期(年)；F为设计流域面积(km2)；ψ为流域形状系数，ψ=F/L2；L为主沟长度(km)；H3N为设计重现期为N的3小时面雨量(mm)；C、α、β、γ、η为分区综合经验参数和指数。

查《延安地区实用水文手册》中的分区参、指数表，经验参、指数为：C=2.54，α=0.17，β=0.58，γ=0.11，η=0.49。工程以上段流域面积为22.1 km2，河道长10.9 km，流域形状系数ψ为0.186。经过计算，求得防洪治理工程处的设计洪水。成果见表7。

表7 综合参数法设计洪水计算成果表

3.5 推理公式法推求设计洪水

贺沟口流域特性主要要素是，控制面积为22.1 km2，主河道长10.9 km，主河道坡降为9.8‰。

3.5.1 设计暴雨计算

1)设计点雨量

可以查阅《陕西省中小流域设计暴雨洪水图集》、《陕西省延安地区实用水文手册》中的不同时段年最大20 min、1 h、3 h、6 h、12 h、24 h点雨量均值等值线图、相应时段点雨量变差系数等值线图。查得贺沟口流域几何中心处设计与校核频率最大6 h、3 h、1 h、1/3 h暴雨量雨量均值、变差系数Cv，再按Cs=3.5Cv查对应的不同频率kp值，按下式计算流域几何中心年最大6 h、3 h、1 h、1/3 h历时设计点雨量。

Hp=kpH

(4)

式中：Hp为频率P不同时段设计暴雨量，mm；kp为频率P对应的模比系数；H为年最大不同时段暴雨量均值，mm。

贺沟口控制流域几何重心年最大各历时设计点雨量成果详见表8。

表8 贺沟口制流域几何重心年最大各历时设计点雨量

表9 贺沟口控制流域几何中心年最大各历时设计面雨量

2)设计面雨量

3.5.2 设计洪水计算

1)产流计算

暴雨时程分配按6 h设计暴雨概化雨型进行，黄土丘陵沟壑区设计条件下土壤前期含水量33 mm，当S<100时，入渗率f=1.65S-0.374i0.565，S≥100时，f取3.7 mm/h，潜流雨按10%扣除，计算结果见表10和表11。

2)汇流计算

(1)计算公式：采用《陕西省延安地区实用水文手册》(1987年)中的推理公式：

(5)

(6)

式中：Qp为设计频率为P的最大洪峰流量，m3/s；h为净雨深，mm，在全面汇流时代表相应于τ时段的最大净雨，在部分汇流时代表单一洪峰对应的面平均净雨；F为流域面积，km2；τ为流域汇流历时，h；L为沿主沟道从出口断面至分水岭的最长距离，km；m为汇流参数；J为沿程L的平均比降；0.278为单位换算系数。

表10 P=50%产流计算过程表

表11 P=10%产流计算过程表

(2)汇流参数m计算：在黄土丘陵沟壑区，公式如下。采用公式计算得出P=50%时，m=4.88；P=10%时，m=2.75。

m=3.52θ0.225hR-0.31

(7)

(3)汇流历时τ及洪峰流量Qp推求：查算出汇流参数m后，假定一系列Qp，计算并绘制Qp～τ曲线，同时计算净雨过程并绘制Qp～t曲线，两条曲线的交点所对应的纵坐标即为所求的洪峰流量Qp，横坐标即为汇流历时τ。P=50%和P=10%的Q～τ曲线和Q～t曲线的关系曲线分别见图1和图2。由图查得贺沟口河道Q50%=13.5 m3/s；Q10%=83.5 m3/s。

图1 P=50%时Q～τ曲线和Q～t曲线 图2 P=10%时Q～τ曲线和Q～t曲线

3.6 设计洪水成果比选

将水文比拟法、经验公式法、综合参数法和推理公式法各种方法计算成果汇总见表12。从表中可以看出，各种方法计算的成果略有差异。一般情况下，经验公式法、综合参数法使用参数较少，水文比拟法参证站控制流域面积与设计流域面积相差较大，成果精度也相对较低。推理公式法是以暴雨为基础，考虑前期影响雨量和流域的产流和汇流特征，在计算过程中综合考虑和反映了流域控制面积、长度和比降等因素对洪水的影响，因此，本次河道设计洪水采用推理公式法计算的结果。

表12 设计洪峰流量计算成果汇总表

4 结语

贺沟口流域具有重要的水土保持功能，通过对贺沟口流域河道工程设计洪水计算方法及过程进行分析，为实施宝塔区贺沟口流域水土流失综合治理与生态保护修复工程提供了基础数据，保证了流域综合治理及修复工程的顺利实施。工程的实施可改善流域水土环境质量，有效保护与修复生态系统，提高资源环境承载力，推动实现区域经济社会可持续发展。