历史洪水调查法在设计洪峰流量计算中的应用分析

高海海

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065）

1 工程概况

金陵河属渭河北岸一级支流,发源于陇县八渡镇赵家山以南,流经陈仓区新街、县功和金台区金河等乡镇,由北向南穿越宝鸡市区汇入渭河。河道长55.0 km,流域面积427.1 km2,河道平均比降7.4‰。流域上游宽阔,下游较窄,呈现以县功镇为颈的“扫帚”状特点。流域内主要支流有：司川河、窑沟、龙渠沟。金陵河以陈仓区县功镇为界,县功镇以上为上游段,县功镇以下为中、下游段,干流单一。县功镇以上流域面积332.3 km2,占总流域面积的77.8%,县功镇以下流域面积94.9 km2,占总流域面积的22.2%[1]。工程治理河段从上游依次为玉池村段、金河镇段、八里村段以及金陵四桥段。其中,玉池村段控制流域面积372 km2,金河镇段控制流域面积393 km2；八里村段控制流域面积405 km2；金陵四桥段控制流域面积415 km2。

2 洪峰流量计算

由于金陵河流域属于无水文资料地区,故设计洪水计算主要根据《宝鸡市水文实用手册》（以下简称《手册》）中关于无资料地区或缺乏水文资料的中小流域设计洪水计算方法推求设计洪水,并结合洪水调查综合分析确定。分别采用水文比拟法、历史洪水调查法、经验公式法和推理公式法四种不同方法进行计算。同时,根据《防洪标准》（GB 20501-2014）规定,并参照其他设计文件,玉池村段防洪标准为10年一遇；金河镇段防洪标准为20 年一遇；八里村段和金陵四桥段防洪标准均为100 年一遇。

2.1 水文比拟法

选用相邻的自然地理条件属同一水文气象分区且流域面积接近,降雨特点与金陵河相似的小水河朱园水文站为参证站,计算公式：

式中：F设为设计各断面控制流域面积,km2；F参为参证站控制流域面积,km2；Qp参为参证站相应频率洪水流量,m3/s。

2.2 经验公式法

根据《手册》提供的洪峰流量经验公式：Qp=K·Fn·Jα·H6Pβ,工程属于渭河以北地区采用公式：

式中：F为各段流域面积,km2；J为各断面平均比降,‰；H6P为设计6 小时的暴雨量。

2.3 推理公式法

根据暴雨资料推求设计洪水,是缺乏水文资料的中小流域最常用的一种方法。暴雨是形成洪水的主要因素,通过暴雨间接推求设计洪水时,首先假定设计暴雨与设计洪水的频率是相应的[2]。根据已审定的《手册》,查暴雨产汇流参数,推算设计洪水,汇流计算采用推理公式法。

2.4 历史洪水调查法

（1）历史调查洪水分析

历史洪水以陕西省水利厅1984 年12 月整编刊印的《陕西省洪水调查资料》及《手册》等资料为依据。根据工程布置情况、调查洪水断面控制面积大小及调查洪水的可靠性等,主要选择金陵河仝家崖和宝十桥两个断面的历史调查洪水进行分析。由于两个断面的控制面积及洪水调查年份的不同,为了保证历史调查洪水资料的一致性及洪水计算分析,将宝十桥断面调查洪水洪峰流量采用面积比拟法折算至仝家崖断面,面积指数取0.67。仝家崖断面历史洪水计算结果：1937 年洪峰流量为932 m3/s,1947 年洪峰流量为497 m3/s,1989 年洪峰流量为824 m3/s,1996 年洪峰流量为625 m3/s,1988 年洪峰流量为1110 m3/s。

（2）历史调查洪水重现期确定

根据调查到的历史洪水资料分析,1901 年金陵河突发洪水为有史以来最大的洪水,从1901 年距今已经116 年了,但其洪峰流量无调查值；而1988 年洪水为1901 年以来有调查值的第一大洪水。经综合考虑,结合洪水发生的时间、量级及调查资料的可靠性,故确定1988 年、1937 年、1989 年、1996 年、1947 年五次历史洪水的重现期分别为100 年一遇、50 年一遇、30 年一遇、20 年一遇、10 年一遇。

（3）历史调查洪水频率计算

根据仝家崖断面调查到的洪水洪峰流量值及各场洪水确定的重现期,计算出各场洪水的经验频率,计算结果见表1。依据各场洪水的洪峰流量值及计算的经验频率值,利用水文频率计算软件适线,其频率曲线结果见图1。

图1 金陵河仝家崖断面洪峰流量频率曲线图

表1 仝家崖断面历史洪水经验频率成果表

经适线后,金陵河仝家崖断面洪峰流量频率曲线参数：均值X=221 m3/s、CV=1.0、CS=3.5CV=3.5。查频率曲线得金陵河仝家崖断面不同频率的设计洪峰流量见表2。

表2 仝家崖断面不同频率的设计洪峰流量成果表

根据已知的金陵河仝家崖断面洪峰流量,按面积比拟法计算工程设计断面的洪峰流量：

式中：F设为设计各段断面控制流域面积,km2；F参为参证站控制流域面积,km2；Qp设为设计各段控制断面相应频率洪水流量,m3/s；Qp参为参证站相应频率洪水流量,m3/s。

3 结果选取

通过以上四种方法的分析计算：经验公式适用于流域面积为10 km2～150 km2,由于工程最小设计流域面积372 km2,故该方法计算结果仅作为参考值；水文比拟法采用朱园水文站为参证站,该站有40 年实测洪峰流量资料,流域面积尽管相近,但流域下垫面因素差异较大,其汇流过程不同,同时流域形状也相差较大,小水河流域为条状,而金陵河为扇形,相对而言,没有金陵河易汇流形成洪水,因而水文比拟法洪水计算结果偏小。推理公式法推求洪水的基本条件是设计暴雨与设计洪水同频率,洪峰流量除了决定于降雨量、降雨强度和降雨过程的时空分布等因素外,还受汇流条件、土壤的入渗等因素制约。根据金陵河的历史洪水资料情况,省市各级部门曾多次对金陵河洪水资料,进行调查、统计和分析,调查资料比较可靠,故可以通过对历史洪水的分析计算,进而推求设计流域的洪峰流量。考虑到金陵河特大洪水多来自上游,同时考虑到工程运行过程中的安全性,故工程玉池村段和金河镇段洪水采用推理公式法成果,八里村段和金陵四桥段100 年一遇洪水采用历史调查洪水的洪水计算成果。四种方法计算的设计洪峰流量成果结果见表3。

表3 不同方法计算各断面设计洪峰流量成果表

同时,为了论证本次洪水选取结果的合理性,先后收集到金陵河流域项目区附近已经批复的洪水计算成果进行对比分析,具体分析过程如下：

1）玉池村段、金河镇段。根据批复的《关于宝鸡市金陵河新街镇段防洪工程初步设计的批复》文件：金台区（寺沟村和葛河村）段10 年一遇洪水洪峰流量为581 m3/s,其控制流域面积为406.2 km2；县功镇葫芦沟村段20 年一遇洪水洪峰流量为777 m3/s,其控制流域面积为361.1 km2。利用面积比拟法换算至玉池村段、金河镇段设计断面,经计算分析两者计算成果相差分别为0.53%和2.64%,故认为玉池村段、金河镇段洪峰流量计算值是合理的。

2）八里村段。根据批复的《关于金陵河八里村～秦家河大桥段堤防工程初步设计的批复》文件：该段河道100 年一遇设计洪峰流量为1200 m3/s,而八里村段工程末端位于秦家河大桥以上1 km 处且中间无较大支流汇入,两者计算结果仅相差3.99%,故认为本次八里村段百年一遇洪峰流量计算成果是合理的。

3）金陵四桥段。根据批复的《关于金陵河秦家河大桥至十八孔桥段防洪工程初步设计的批复》文件：该段河道100 年一遇洪峰流量为1290 m3/s,其控制流域面积为427.1 km2；利用面积比拟法换算至金陵四桥设计断面,得工程段100 年一遇设计洪峰流量为1266 m3/s。同时,本次金陵四桥段控制流域面积为415 km2,100 年一遇洪峰流量为1173 m3/s。两者计算成果相差仅为7.89%,故认为本次金陵四桥段100 年一遇洪峰流量计算值是合理的。

4 结语

中小流域大多都缺乏实测水文资料,因此推求中小流域设计洪峰流量一直是设计中小流域水利工程中的一个难点[3]。在无实测径流资料或实测径流资料很少时,对于流域洪峰流量的计算主要通过水文比拟法、历史洪水调查法、经验公式法和推理公式法,本工程同时采用四种方法进行洪峰流量计算。

通过金陵河流域设计洪峰流量计算,反映出对于陕西省部分无资料地区,中小流域洪峰流量计算时,历史洪水对洪峰流量计算成果的影响较大,应该引起足够的重视,特别是在保护对象比较重要、防洪标准比较高时必须进行历史特大洪水的调查考证；同时,应该重点放在对多种计算结果的合理分析与选取以及计算结果需要结合当地流域的实际情况进行可靠性的验证,经过一系列的可靠性及可行性分析,才能给出一个合理的计算结果。因此,在今后中小流域设计洪峰流量的计算过程中应该注意以下几个方面把握：

（1）历史洪水对洪峰流量计算成果的影响较大,应该引起足够的重视,特别是在保护对象比较重要、防洪标准比较高时必须进行历史特大洪水的调查考证。

（2）利用历史洪水调查法计算洪峰流量时,需重点把握洪水调查成果的可靠性、调查洪水重现期的确定。

（3）在同一个项目的水文计算中,不一定完全以一种计算方法的成果为准,可根据实际情况分别选取。

（4）在同一个流域的水文计算过程中,应注意上下两段洪水计算成果的协调性、合理性；同时注意与本流域已批复水文计算成果的协调一致性。