小流域水文水动力洪水预报研究

唐宇飞 曾雪彤

（中规院（北京）规划设计有限公司，北京 100044）

0 引言

晋中市地处于太行山脉以西，其地形为东北、东南高，西南部低，由山区到平川呈阶梯状下降，在地貌上，山、丘、川等各类地形齐备，过渡明显。境内大小河流12条，其中与城区北部防洪密切相关的河流为涧河，与南部防洪密切相关的河流为潇河。晋中城区及潇河、涧河等主要河流流域受大陆低压影响，暴雨洪水时空分布不均匀，同时受地形影响显著，局地发生暴雨频繁，且多受山区来水影响，降雨产流迅速、水流汇集快、河道流速大［1-2］。因此，为保障城区区域流域水安全，根据晋中市建成区北部水系分布、水库、自然低洼区域布置情况，以调蓄空间为缓洪节点，对天然洪水断面进行拆分，划分多个汇水区域，通过构建区域洪水汇集-空间分级分散蓄滞-末端排放的系统，实现北部流域区域的蓄排平衡，保障城市建成区区域流域的防洪安全，为海绵城市建设提供理论依据。其中，田家湾水库上游对实现建成区北部流域系统的蓄排平衡起到重要作用。

田家湾水库位于晋中市榆次区，其控制流域面积约为97 km2，在该流域中，灰岩区域约占13.4%，砂页岩区域约35%，黄土丘陵区域约51.5%［3］。水库控制流域为典型的大陆型半干旱季风气候区，冬春季节气温低，降水稀少，夏秋季节气温偏高，降水丰富且旱涝灾害频发，年气温均值为11.2℃，年降水量均值为399 mm。根据统计资料，7—9 月为汛期，汛期降水量在全年降水总量中占比在70%及以上，蒸发较大，年蒸发量均值为2 112.5 mm，年风速均值为1.6 m/s，冬春季节最大风速可达25.8 m/s［4］。

由于该流域资料少、面积小且地形情况比较复杂，在不同降雨情景下对整体流域洪水预报进行针对性分析是非常有必要的。本研究以晋中市田家湾流域为研究区，基于水文分析与水动力模拟建立小流域暴雨洪水框架，重点对田家湾水库所在上游流域进行水文计算和二维水动力模拟，探究不同降雨条件下的流域洪水情况，探讨小流域长短历时暴雨产汇流及洪水预报的可能性。

1 水文水动力计算

1.1 水文计算

田家湾水库上游控制流域范围小于100 km2，属于小流域，故无水文测站，因此在水文计算中采用长历时设计暴雨推求流域汇集洪水情况。本次流域洪水水文计算采用《山西省水文计算手册》进行流域设计洪水流量计算［5］。

1.2 设计暴雨计算

水文计算在设计暴雨的计算方面包括设计点暴雨、设计面暴雨、主雨历时和主雨雨量等内容［6-7］。通过计算得出田家湾水库上游断面在50年一遇和100 年一遇的点雨量和设计面雨量随着时间变化的值，如图1 所示。可以看到，随着重现期的增大各断面设计面雨量明显增大；同时，随着时间的延长设计面雨量的值呈现梯度式的增长。最终通过设计面雨量采取50年一遇和100年一遇计算出的主雨历时与主雨雨量，如表1所示。

图1 50年一遇和100年一遇设计面雨量变化

表1 主雨历时和主雨雨量表

1.3 产汇流计算

本次计算根据当地水文计算产流参数选取原则，采煤漏水区砂页岩灌丛山地的产流参数参考石灰岩灌丛山地的参数，选用石灰岩灌丛山地参数的下限参数。计算断面的产流地类和各地类的参数取值，如表2所示。

表2 断面产流地类及参数选取表

根据设计净雨深计算公式计算主雨日的设计净雨深，净雨深计算采用双曲正切模型［8］，设计净雨深计算成果如表3 所示。通过不同重现期下各断面净雨深的变化，可以看到随着重现期的增大在100年一遇的条件下比50年一遇时约增加约13 mm。在流域洪水汇流计算中分别采用综合瞬时单位线法和推理公式法进行计算分析，汇流地类及参数取值如表4所示［9-10］。

表3 净雨深计算成果表

表4 汇流地类及参数表

通过综合瞬时单位线法计算得到水库上游在50 年一遇长历时降雨条件下产生的最大洪峰流量为561 m3/s，100年一遇长历时设计降雨条件下最大洪峰流量为706 m3/s。经推理公式法计算，得到设计洪水成果如表5 所示，其中在长历时暴雨条件下，该水库上游50年一遇洪峰流量为641 m3/s。

表5 设计洪水成果表

1.4 洪水成果合理性分析

《田家湾水库除险加固初步设计报告》中采用了推理公式法进行入库洪水计算，报告中在100 年一遇情况下计算出的洪峰流量为861 m3/s。本次推理公式法计算的100 年一遇洪水的洪峰流量为851 m3/s，24 h 洪量496 万m3，与该报告的成果较为接近，故推理公式法的计算成果可以采用。

2 水动力计算

水动力计算采用HEC-RAS进行二维降雨径流模拟，该二维水动力学模型具有建模要求低、计算速度快、后处理灵活等优势，适用于河道洪水演进和山区降雨汇流等多种场景下的模拟，其模块包含恒定流、非恒定流、泥沙等［11-12］。本次模拟采用芝加哥雨型，通过HEC-RAS 二维降雨径流模块对该流域进行洪水流量预报。

2.1 洪水分析模型构建

本次研究区域选取田家湾水库上游汇水分区进行水动力模型构建，以短历时暴雨情景模拟上游降雨形成洪水情况。地形数据采用数据分辨率为10 m 的DEM，降雨数据采用当地芝加哥暴雨强度公式，其他相关数据通过文献和网络进行收集［13］。模型建模区域如图2 所示，流域包含大小河流几十条，汇水分区面积约为97 km2。

图2 田家湾水库上游汇水分区

短历时暴雨采用晋中市芝加哥暴雨公式进行计算，分别模拟10年、20年、30年、50年和100年在2 h短历时暴雨情况下的洪水过程，计算公式为式（1）。

式中：q为降雨强度，mm/min；t为降雨历时，min；P为重现期，a。计算结果如图3所示。

图3 短历时芝加哥暴雨强度

2.2 模拟及结果分析

本次模拟入流条件采用不同重现期的芝加哥降雨过程线，下游地势低洼处为自由出流，水库坝址位于中下部分，库区来水主要集中在上游三条主要河流。采用HEC-RAS 中二维降雨径流模块，对田家湾水库上游汇水流域进行模拟计算。

经过模拟计算得到上游雨水汇入库区前部断面的流量如图4 所示。其中，100 年一遇降雨形成径流到达上游断面的流量为88.45 m3/s，50 年一遇降雨为78.86 m3/s，均超过水库泄洪流量。由于暴雨历时较短，强度大，降雨发生后，汇水区间将快速形成径流沿各条支流流入田家湾水库，最大洪峰流量产生时间与降雨峰值的时间相差约半个小时。根据降雨-洪水模拟的结果，在考虑短历时暴雨的情况下，流域河道内水流能够看到明显水深，上游支流对库区汇流存在一定的缓蓄作用。

图4 短历时暴雨不同重现期下上游洪水流量

50 年一遇库区下游流量如图5 所示，可以看出通过水库拦截洪峰流量明显小于上游，但降雨仍然能够导致下游断面产生较大的水流。在重现期为50 年的短历时降雨造成的流域最大淹没水深如图6所示，大部分淹没区域为水库库区，水库能较好地拦截洪水，使其不至于淹没库区下游。因此，田家湾水库能够较好地抵挡短历时暴雨形成的洪峰。

图5 下游断面降雨流量

图6 50年一遇短历时暴雨最大淹没水深

3 结论

本研究通过水文方法和水动力模拟两种方式，分别计算长短历时暴雨条件下田家湾水库上游流域雨成洪水的情景，对小流域降雨洪水进行系统的计算分析，得出结论如下。

①在传统水文计算中，通过瞬时单位线法和推理公式法对长历时设计暴雨条件下上游流域洪水进行流量演算，其中，推理公式法的计算成果较为准确且与实际符合，可用于该流域的水文预报。

②HEC-RAS 操作界面友好，二维降雨径流计算速度快，其模拟结果能满足实际运用要求，本次短历时暴雨工况计算采用HEC-RAS进行二维降雨径流模拟流域洪水过程，分别得出10 年、20 年、30年、50 年、100 年一遇降雨条件下库区上游流量，通过模拟计算，田家湾水库对短历时降雨形成的洪水具有较好的调节作用。

③该水库既能满足长历时设计降雨条件下的防洪标准，又能够满足上游短历时降雨条件下的洪水流量调节，对下游防洪起到较大的影响。因此，该水库对实现建成区北部流域系统的蓄排平衡发挥着重要作用。