推理公式法在资料匮乏地区小流域洪水计算中的应用

张丽霞，梁新平

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830002）

在水利工程设计中，大多数引供水工程输水线路较长，其输水线路经过山区河道、沟道时，考虑到防洪、冲刷的影响，需要计算一定防洪标准的设计洪水，以保护输水管道的防洪安全。但线路穿越的山洪沟道区域大多为无实测水文资料地区，需要由设计暴雨间接推求设计洪水[1,2]。因此，文中以南疆和田地区某小流域为例，采用推理公式法进行暴雨洪水计算，可较充分地反应小流域特点，符合客观实际且实用方便。

1 工程概况

南疆和田地区某引水工程管线跨越小洪沟众多，这些小洪沟均发源于昆仑山北坡喀河中低山区、浅山区及冲洪积扇区，洪沟自东向西平行排列，管线横切几十条洪沟。工程区地处塔里木盆地南缘，气候干旱，但夏季受中亚低涡及低槽活动的影响，结合充分水汽条件，能出现大降水，从而发生暴雨洪水。区域持续性降雨和局地暴雨雨强较大时，流域超渗产流会形成暴雨洪水。暴雨洪水主要由中、低山区降雨形成，雨区面积有限，不易形成较大的洪水。由于降水量不同形成的洪水规模不同。此类洪水起涨很快，但历时短，峰值与降水关系密切，洪水挟沙量大。暴雨历时多为几小时或十几小时，经沟谷汇流，形成山洪。土石山区下垫面土壤下渗强度较大，随雨强变化，洪水特性为：暴雨洪水形成超渗产流，历时短、峰较高、陡涨陡落，洪水过后马上形成干沟。洪沟洪水对跨河建筑物安全及施工期临时建筑物会产生一定的洪水破坏作用。

2 历史洪水调查

2020年4月24日与5月8日，项目组分别对工程范围内较大的2条洪沟（桩号39+163、桩号48+050）进行了现场调查。

为保证洪痕判断的准确性，所有调查断面均以具有漂浮物残存的最高水蚀岸坎作为洪痕的判断依据，并对洪水水面线现场进行合理性检查，故现场勘测成果是可靠的。此次由于无法判断调查断面洪痕发生年代，所以无法判定重现期。各调查洪沟大断面水力要素成果见表1。

表1 调查洪沟最高洪水断面水力要素情况

根据实测洪沟大断面资料及各断面糙率n、比降J，采用曼宁公式计算各断面洪痕水位的流量Q：

计算成果见表2。

表2 各洪沟2020年调查洪峰流量计算表

3 设计暴雨计算

根据南疆和田地区平原区和山区降水资料（同古孜洛克水文站、乌鲁瓦提水文站）分析可知，当高程每增加100m时，最大1d降水量增加1.2mm。项目洪水集水区平均高程为1715m，和田市气象站高程为1376m，项目洪水集水区与和田气象站高程相差339m，根据和田市气象站气象资料推算出项目洪水集水区最大1d降水量均值为15.12mm。采用P-Ⅲ型频率曲线适线[3]，计算项目区设计最大1d降水量，频率适线参数Cv和Cs采用和田气象站最大1d降水量频率适线参数。和田市气象站及项目区设计最大1d降水量成果见表3。

表3 和田市气象站及项目区设计最大1d降水量

4 暴雨洪水计算

设计洪水计算是根据推理公式进行计算：

式中：Qmp为洪峰流量，m3/s；F为流域面积，km2；L为沿主河从山口断面至分水岭的最长距离，km；J为沿流程L的平均比降（以小数计）；τ为流域汇流历时，h；m是汇流参数；h为在全面汇流时代表相应于时段的最大净雨，在部分汇流时代表单一洪峰的净雨，mm。

1）流域特征参数F，L，J的量算

F，L，J参数在1∶50000地形图上量算。沿线各山洪沟集水面积F，以渠线相交的断面以上按各山洪沟所围最大面积量算。沟口位置以渠线与洪沟相交断面为准，并按渠线走向给各洪沟编排序号。沟长L按各洪沟最远流程量算。比降J计算中，先量算各沟口及源头高程，计算各等高线间河段长，按加权平均计算J。

2）土壤下渗强度μ值

由管线山洪沟当地土壤实地情况，根据《小流域暴雨洪峰流量计算》[4]中对μ值作的实际研究，产流期的平均损失率μ值与其相应的暴雨强度有下列关系：

式中：μ是土壤下渗强度；R是损失系数；SP是雨力；r1是损失指数。

式中的损失系数R和损失指数r1是反映不同下垫面条件，不同土类的平均损失的计算参数。损失参数可由《小流域暴雨洪峰流量计算》提供的表查得。

根据输水线路的地面条件，取土类为Ⅱ类前期土壤中等湿润。

3）雨力SP定量

根据最大24h设计雨量成果，按下式计算：

式中：t为24h，H24p为最大24h设计雨量。

4）暴雨衰减指数n值

因历年暴雨历时大都在24h之内，因此只需定出1h≤t≤24h暴雨衰减指数n值，由于各沟暴雨历时多大于1h，且tc＜τ为部分汇流，n值由《新疆可能最大暴雨图集》[5]中最大1h，6h，24h降雨量等值线图和最大各时段降水量Cv值等值线图读取数据，计算各时段设计雨强，点绘暴雨雨强历时曲线，定出n=0.8，此值与暴雨图集介绍和田地区n值是一致的。

5）汇流参数m值

汇流参数是反映流域特性的综合性参数。而当地无对应的雨洪资料，调查洪水无同期洪水对应，因此用地区综合法计算。m值计算方法较多，此次计算采用设计洪水规范所列m值计算方法。首先按式θ=L/J计算出渠线各洪沟θ值，θ为汇流参数，再根据规范按Ⅲ类地区（植被条件一般的土石山丘区）查算出各洪沟的m值。

6）设计成果

经计算，各种频率时各山洪沟设计洪峰流量成果见表4。

表4 管道沿线山洪沟设计洪水成果表

6 结语

资料匮乏地区小流域设计洪水的推求一直是水利工程设计当中的一个难点。本文以南疆一水利工程为例，采用推理公式法推求设计洪水的思路，并结合历史调查洪水，推求得到了设计洪水成果，为无资料地区小流域设计洪水的推求提供了一个可行的操作思路。