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      無資料地區(qū)流域設(shè)計(jì)洪峰流量分析計(jì)算

      2016-08-12 03:00:23李仲明中國水利水電建設(shè)工程咨詢西北有限公司陜西西安710075
      陜西水利 2016年2期
      關(guān)鍵詞:流域面積匯水洪峰流量

      李仲明(中國水利水電建設(shè)工程咨詢西北有限公司 陜西 西安 710075)

      無資料地區(qū)流域設(shè)計(jì)洪峰流量分析計(jì)算

      李仲明
      (中國水利水電建設(shè)工程咨詢西北有限公司陜西西安710075)

      無實(shí)測(cè)資料的小流域洪峰流量計(jì)算方法有洪峰流量匯水面積相關(guān)法、綜合參數(shù)法、經(jīng)驗(yàn)公式法、推理公式法及綜合經(jīng)驗(yàn)單位線法等。以羊圈溝流域?yàn)槔紤]流域多方面因素,采用洪峰流量匯水面積相關(guān)法、綜合參數(shù)法兩種方法分別計(jì)算不同頻率下設(shè)計(jì)洪峰流量,并對(duì)兩種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,旨在論證洪峰流量計(jì)算方法所適應(yīng)的流域特征、洪水特性以及資料條件。

      無資料地區(qū);設(shè)計(jì)洪峰流量;匯水面積相關(guān)法;綜合參數(shù)法

      中小流域的洪水估算主要是估算洪峰流量,主要用于設(shè)計(jì)涵洞、中小型橋梁、堤防及其他排水工程、小型閘壩、溢洪道及水土保持工程等[1]。中小河流設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算方法很多,可以由流量資料推求設(shè)計(jì)洪水,也可以由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水。但在小流域中很少設(shè)有水文站,項(xiàng)目區(qū)往往缺乏實(shí)測(cè)的流量資料或暴雨洪水系列資料,因此常采用經(jīng)驗(yàn)公式法、推理公式法、地區(qū)綜合法、綜合經(jīng)驗(yàn)單位線法以及水文模型法等計(jì)算小流域的設(shè)計(jì)洪水[2]。設(shè)計(jì)洪峰流量是確定城鎮(zhèn)、河道及水利工程等防洪安全的重要依據(jù),洪峰流量的推求對(duì)堤防的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)影響較大,為了能夠更好地計(jì)算得到合理的設(shè)計(jì)洪峰流量,應(yīng)該采用多種方法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,同時(shí)結(jié)合實(shí)際進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證。因此,研究無資料地區(qū)小流域設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算方法具有重大意義。

      延安市寶塔區(qū)的羊圈溝流域面積2.02km2,該流域地處黃河中游區(qū),為碾莊溝流域的一級(jí)支溝,延河流域的二級(jí)支溝。地貌類型為黃土梁和黃土溝,相對(duì)高差達(dá)225m,溝谷密度為2.74km/km2,坡度為10°~30°,屬典型黃土丘陵溝壑區(qū)。參照《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》的要求,采用面積比擬法的條件是所求流域與測(cè)站面積不超過±20%,兩者自然地理?xiàng)l件比較一致,同水域一個(gè)水文氣象分區(qū)。羊圈溝無水文氣象資料,流域面積很小,根據(jù)以上分析不能采用面積比擬法,綜合考慮,采用洪峰流量的經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中洪峰流量的經(jīng)驗(yàn)公式,無實(shí)測(cè)資料的小流域洪峰流量計(jì)算方法有洪峰流量匯水面積相關(guān)法和綜合參數(shù)法。本文采用這兩種方法計(jì)算羊圈溝流域洪峰流量,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

      1 洪峰流量匯水面積相關(guān)法

      通常流域面積F<1000km2的中小流域設(shè)計(jì)洪峰流量與流域面積存在指數(shù)關(guān)系。根據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》,對(duì)于無資料地區(qū),洪峰流量匯水面積相關(guān)法[3]是計(jì)算洪峰流量最簡(jiǎn)單的一種方法。需要已知設(shè)計(jì)流域面積F和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)K,經(jīng)驗(yàn)參數(shù)查表得到,見表1。其經(jīng)驗(yàn)公式為:

      式中:QN——重現(xiàn)期為N的設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s;

      F——設(shè)計(jì)流域面積,km2;

      KN、n——重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

      根據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式分布區(qū)圖,延安市寶塔區(qū)的羊圈溝流域區(qū)域?qū)俚湫忘S土丘陵溝壑Ⅱ區(qū),建立洪峰流量的經(jīng)驗(yàn)公式所選經(jīng)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

      表1  洪峰面積相關(guān)公式參數(shù)表

      表2 QN經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)KN、n值表

      2 綜合參數(shù)法

      根據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》,綜合參數(shù)法[4]是以小流域內(nèi)設(shè)計(jì)暴雨量和流域特征參數(shù)為基礎(chǔ)而建立的多因子經(jīng)驗(yàn)公式。用經(jīng)驗(yàn)公式推算設(shè)計(jì)成果時(shí),一般應(yīng)先分析經(jīng)驗(yàn)公式的適用條件,然后研究是否可用于設(shè)計(jì)流域。盲目機(jī)械地搬用經(jīng)驗(yàn)公式常會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。

      (1)

      (2)

      式中:QmN——重現(xiàn)期為N的洪峰流量,m3/s;

      F——設(shè)計(jì)流域面積,km2;

      L——主溝長(zhǎng)度,km;

      H3N——設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為N的3小時(shí)面雨量,mm;

      C,α,β,γ,η——分區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)指數(shù),見表3。

      對(duì)于設(shè)計(jì)面暴雨計(jì)算,根據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》要求,由設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量求得設(shè)計(jì)面暴雨,中小流域一般采用點(diǎn)面系數(shù)法。其公式為:

      表3  分區(qū)參數(shù)指數(shù)表

      (3)

      式中:αt——?dú)v時(shí)為t的暴雨點(diǎn)面關(guān)系;

      F——設(shè)計(jì)流域面積,km2;

      at、bt——線性擬合參數(shù),其參數(shù)值見表4。

      表4 at、bt線性擬合參數(shù)值表

      在求得設(shè)計(jì)點(diǎn)面暴雨量和點(diǎn)面系數(shù)后,采用下面公式求得平均設(shè)計(jì)面暴雨量。其公式為:

      (4)

      式中:Ht面——設(shè)計(jì)歷時(shí)為t的流域面積平均雨量,mm;

      Ht——設(shè)計(jì)歷時(shí)為t的點(diǎn)暴雨量,mm;

      αt——設(shè)計(jì)歷時(shí)為t的暴雨點(diǎn)面系數(shù)。

      3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

      (1)采用洪峰流量匯水面積相關(guān)法計(jì)算洪峰流量結(jié)果

      按洪峰流量匯水面積相關(guān)法計(jì)算公式推求設(shè)計(jì)洪水計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表5。

      表5 不同頻率洪峰流量計(jì)算成果表單位:m3/s

      采用洪峰流量匯水面積相關(guān)法計(jì)算,是以重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)K和設(shè)計(jì)流域面積F的n次冪來推算的,頻率為3.3%時(shí),洪峰流量為53.74m3/s;頻率為5%時(shí),洪峰流量為47.60m3/s;頻率為10%時(shí),洪峰流量為38.39m3/s。

      (2)采用綜合參數(shù)法計(jì)算洪峰流量結(jié)果

      采用點(diǎn)面關(guān)系求得歷時(shí)3h的平均面暴雨量,首先求點(diǎn)面系數(shù),根據(jù)at、bt線性擬合參數(shù)值表選定參數(shù)。

      根據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中“年最大3小時(shí)點(diǎn)雨量均值等值線圖”查得羊圈溝流域年最大3h點(diǎn)雨量均值H3=35. 7mm。則設(shè)計(jì)歷時(shí)為3h的流域面積平均暴雨量為:

      依據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中“年最大3小時(shí)點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cv等值線圖”查得羊圈溝流域年最大3小時(shí)點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cv=0.58,CS=3.5Cv。再根據(jù)離均系數(shù)公式H3N=Ht面(1+CvΦ),由P-III型曲線頻率曲線Φ值表查得不同保證率對(duì)應(yīng)的Φ值,從而求得不同保證率對(duì)應(yīng)的面暴雨量H3N值,計(jì)算結(jié)果見表6。

      表6  不同保證率下最大3小時(shí)面雨量計(jì)算表

      采用綜合分析法計(jì)算公式求得設(shè)計(jì)洪峰流量,計(jì)算結(jié)果見表7。

      表7不同頻率洪峰流量計(jì)算成果表單位:m3/s

      采用綜合參數(shù)法計(jì)算洪峰流量,頻率為5%時(shí),洪峰流量為40.31m3/s;頻率為10%時(shí),洪峰流量為33.92m3/s。

      洪峰流量匯水面積相關(guān)法屬于經(jīng)驗(yàn)公式,是以設(shè)計(jì)流域面積與重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來推算羊圈溝流域不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量。根據(jù)面積小重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)大的規(guī)律,該方法計(jì)算結(jié)果略偏小。綜合參數(shù)法屬于半推理半經(jīng)驗(yàn)的概念性模型,該方法假定由暴雨形成洪水的環(huán)節(jié)全流域一致(平均),這與實(shí)際有一定偏差。該方法對(duì)羊圈溝流域設(shè)計(jì)斷面設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行計(jì)算時(shí),由于流域區(qū)域的氣候因素、自然地理因素及下墊面條件同較大流域面積上的平均情況有出入,即流域面積越小影響因素越復(fù)雜,因此對(duì)洪峰流量計(jì)算結(jié)果影響較大。同時(shí)在計(jì)算面暴雨量時(shí),采用了《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中“年最大3小時(shí)點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cv等值線圖”,對(duì)面暴雨量求得也存在誤差,由于綜合參數(shù)法公式復(fù)雜,從而使得每一步計(jì)算都有誤差。因此采用綜合參數(shù)法計(jì)算洪峰流量有一定的誤差。并且該方法設(shè)計(jì)流域面積F的參數(shù)指數(shù)要比洪峰流量匯水面積相關(guān)法的參數(shù)指數(shù)n要小,設(shè)計(jì)流域面積一定,因此綜合參數(shù)法計(jì)算結(jié)果偏小。

      綜合以上,采用洪峰流量匯水面積相關(guān)法計(jì)算的洪峰流量結(jié)果較綜合參數(shù)法計(jì)算洪峰流量結(jié)果略大。但是兩種方法的計(jì)算結(jié)果比較接近,從設(shè)計(jì)安全角度及計(jì)算過程產(chǎn)生的誤差等多種因素綜合考慮,選擇洪峰流量匯水面積相關(guān)法計(jì)算的洪峰流量結(jié)果。

      4 結(jié)語

      中小流域多數(shù)都缺乏實(shí)測(cè)水文資料,因此推求中小流域設(shè)計(jì)洪峰流量一直是設(shè)計(jì)中小流域水利工程中的一個(gè)難點(diǎn)。在無實(shí)測(cè)徑流資料或?qū)崪y(cè)徑流資料很少時(shí),對(duì)于流域洪峰流量的計(jì)算主要通過洪峰流量匯水面積相關(guān)法、推理公式法、水文比擬法和綜合參數(shù)法。本次采用洪峰流量匯水面積相關(guān)法和綜合參數(shù)法,通過羊圈溝小流域設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算,反映出對(duì)于陜西省部分無資料地區(qū),小流域洪峰流量計(jì)算,應(yīng)該重點(diǎn)放在對(duì)多種計(jì)算結(jié)果的合理分析與選取,以及計(jì)算結(jié)果需要結(jié)合當(dāng)?shù)亓饔虻膶?shí)際情況進(jìn)行可靠性的驗(yàn)證,經(jīng)過一系列的可靠性及可行性分析,才能給出一個(gè)合理的計(jì)算結(jié)果。陜西水利

      [1]張建云,李紀(jì)生,等譯.水文手冊(cè)[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

      [2]茹樹青.中小河流河道治理工程設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算方法的分析 [J].水利技術(shù)監(jiān)督,2014,(2):36-38.

      [3]康靜靜.淺析無資料地區(qū)河道洪峰流量推求[J].陜西水利,2014,(5):1-3.

      [4]周京武.無資料區(qū)設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算方法適用分析—以新疆鐵門關(guān)市防洪工程為例[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2014,20(5):47-48.

      (責(zé)任編輯:李蕊)

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