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      丹鳳縣老君河留仙坪水位站預(yù)警水位分析

      2020-04-13 01:40:28楊碧波張奕華
      陜西水利 2020年12期
      關(guān)鍵詞:水位站洪水預(yù)警

      楊碧波,張奕華

      (商洛水文水資源勘測中心,陜西商洛726000)

      1 概況

      1.1 流域概況

      老君河發(fā)源于蟒嶺西南麓洛南縣油泉鄉(xiāng)土地嶺,自北向南流向,全長39.8 km,流域面積262 km2,支流有庵底河、齊家河和留仙坪河等。落差662 m,平均比降14.8%,多年平均年徑流量0.71億m3。

      留仙坪河為老君河一級支流,發(fā)源于洛南縣景村鎮(zhèn)的靈官廟村,流域面積112 km2,河長29 km,河道平均比降6.49‰,在丹鳳縣商鎮(zhèn)經(jīng)魚嶺水庫匯入老君河。

      1.2水位站基本情況

      留仙坪水位站于2012年建成,位于陜西省丹鳳縣留仙坪鄉(xiāng),留仙坪河中游,控制面積76.1 km2,控制河長19.6 km,斷面以上平均比降28.5‰,距河口距離9.4 km。水文觀測設(shè)施布置在右岸,設(shè)有水位塔、基本水尺、上下比降水尺等。

      留仙坪水位站測驗項目包括水位和雨量,配備有雷達水位計、翻斗雨量計等。每年的5月1日至11月1日按照24段24次拍發(fā)水位報文和日、旬、月降雨量報文,該站主要收集留仙坪河水位和雨量信息,擔(dān)負著向下游商鎮(zhèn)以及丹鳳縣城區(qū)提供水情信息的任務(wù)。

      2 測驗河段斷面情況

      2.1測驗斷面情況

      留仙坪水位站測驗河段順直,測驗區(qū)間為卵石河床,中低水時中泓靠左岸,兩岸均有人工護岸,堤路結(jié)合,河流左岸為村間水泥路路基,路基坎高平均約3 m左右,右岸為人工河堤,堤高約3 m,堤外是15 m寬的耕地及住戶,耕地之上便是洛景公路,路基高于耕地1.5 m。上、下斷面間距125 m,距中斷面約75 m的上游處有一座混凝土石拱橋;斷面形狀大致呈不規(guī)則U形。

      2.2水位站基礎(chǔ)資料

      (1)實測大斷面圖及成果

      2018年4月20日實測留仙坪水位站基本斷面,實測大斷面斷面圖見圖1。

      圖1 留仙坪水位站大斷面圖

      (2)斷面水位流量關(guān)系

      留仙坪水位站測驗河段順直,受上游橋梁控制,主流變動小,水流平穩(wěn)。采用明渠均勻流計算公式,根據(jù)實測的橫斷面資料,采用曼寧公式率定留仙坪水位站斷面的水位流量關(guān)系曲線。

      Q=AJ1/2R2/3/n

      式中:Q為過水?dāng)嗝媪髁浚琺3/s;A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2;J為水面比降,‰;R為過水?dāng)嗝嫠Π霃?,m;n為河床糙率。

      過水?dāng)嗝婷娣eA根據(jù)實測斷面資料計算,實測水面比降為6.8‰,根據(jù)天然河流糙率表及河床岸壁情況,糙率選用0.043。計算留仙坪水位站水位流量關(guān)系曲線成果見圖2。

      3 預(yù)警水位計算分析

      3.1經(jīng)驗公式法推求不同頻率設(shè)計洪水推求

      留仙坪水位站所在的老君河屬無資料流域,流域面積76.1 km2,且無實測水文資料地區(qū),所以設(shè)計洪水采用《商洛地區(qū)實用水文手冊》(1986年)(以下簡稱《手冊》)推薦的匯水面積法和綜合參數(shù)法進行估算。匯水面積相關(guān)法和綜合參數(shù)法均適用于流域面積在10 km2~1000 km2面積范圍以內(nèi)的流域。

      1)匯水面積相關(guān)法

      依據(jù)《手冊》提供的匯水面積相關(guān)法的相關(guān)參數(shù),應(yīng)用下列公式計算:

      QP=KPFn

      式中:QP為設(shè)計頻率P的洪峰流量,m3/s;F為設(shè)計流域面積,km2,F(xiàn)=76.1 km2;KP、n為設(shè)計頻率為P的經(jīng)驗參數(shù)。K50%=4.10,K20%=8.80,K10%=13.8,n=0.612。

      2)綜合參數(shù)法

      依據(jù)《手冊》提供的綜合參數(shù)法的相關(guān)參數(shù),應(yīng)用下列公式計算:

      QP=KPFnJαHPβ

      式中:QP為設(shè)計頻率P的洪峰流量,m3/s;F為設(shè)計流域面積,F(xiàn)=76.1 km2;J為主河道平均比降,J=2.58%;HP為設(shè)計頻率為P的6 h暴雨量,mm,H50%=33.7,H50%=41.5,H50%=51.4;KP為經(jīng)驗參數(shù),K50%=0.66,K20%=0.84,K10%=1.06;n、α、β為經(jīng)驗指數(shù),n=0.61,α=0.0255,β=0.593。

      該站所在區(qū)域為丹江上游區(qū),在《手冊》上查算其分區(qū)參數(shù)再代入相應(yīng)計算公式,得出兩種方法的計算結(jié)果,見表1。

      表1 經(jīng)驗公式法計算結(jié)果表

      3.2 推理公式法推求不同頻率設(shè)計洪水

      根據(jù)留仙坪雨量站1973年~2017年45 a的雨量資料,分別統(tǒng)計其歷年1 h,3 h,6 h,12 h時段內(nèi)最大降雨量,用頻率計算的方法分別推求其頻率為2 a,5 a,10 a的設(shè)計暴雨量,選用12 h的設(shè)計暴雨時程分配雨型求其時段降雨量,按蓄滿產(chǎn)流方式計算設(shè)計降雨過程的凈雨過程,由《手冊》推理公式進行計算。

      推理公式法的基本公式為:

      式中:ht為t時段的最大凈雨,mm;J為沿流程L的平均比降(以小數(shù)計);J=25.8‰;L為沿主河槽從出口斷面至分水嶺的最長距離,L=19.6 km;m為經(jīng)驗性匯流參數(shù),可表示為:m=0.190θ0.575、θ=L2/F/J1/3。

      按流域特征值及上述公式,t~Qt曲線計算,Qτ~τ曲線計算,將Qτ~τ和Qt~t曲線點匯于同一坐標(biāo)系中,其兩條曲線的交點對應(yīng)的縱橫坐標(biāo),即為所求的洪峰流量,計算結(jié)果見表2。

      表2 推理公式法計算結(jié)果表

      3.3 瞬時單位線法推求不同頻率設(shè)計洪水

      (1)瞬時單位線基本公式

      瞬時單位線法的原理是采用納希瞬時單位線模型,單位線有兩個假定即倍比假定、疊加假定,其基本公式是:

      式中:U(0,t)為t時刻瞬時單位線縱高;n為相當(dāng)于線性水庫個數(shù)或調(diào)解次數(shù);K為相當(dāng)于流域匯流時間的參數(shù);t為相應(yīng)時間;Γ(n)為n的伽瑪函數(shù)。

      在實際中,因凈雨歷時不可能趨于無線小,需將瞬時單位線轉(zhuǎn)換為時段單位線,一般用S曲線法進行轉(zhuǎn)換:

      將S(t)曲線移后Δt,則兩條S曲線的縱高差值除以Δt,就是計算時段為Δt的單位線,其算式如下。只要求出n、k,查S(t)曲線,可求得單位線q(Δt,t)。瞬時單位線的n、k參數(shù),用矩法計算求得。

      (2)洪水過程計算

      按照以上公式,計算造峰雨歷時tp=3.5;造峰平均雨強,10 a一遇是10.9 mm/h,5 a一遇是7.7 mm/h,2 a一遇是3.3 mm/h;求得m1值10 a一遇是2.73,m1值5 a一遇是3.22,m1值2 a一遇是4.77,m2是0.70;求得n是1.40,k值10 a一遇是1.90,5 a一遇是2.24,2 a一遇是3.32。

      由n值在商洛地區(qū)水文手冊S(t)曲線表中查出不同t/k所相應(yīng)的S(t)值,并按t=t/k×k,求出t值,以0為起始時間,S(t)為縱坐標(biāo),t為橫坐標(biāo)做出S(t)曲線。

      時段單位線分別乘以各時段的凈雨量,按錯開一個時段相疊加,得地面徑流過程,計算出各時段的潛流量,基流量與地面徑流過程相加,即為設(shè)計洪水結(jié)果,見表5。

      表5 瞬時單位線法計算結(jié)果表

      3.4 設(shè)計流量成果分析

      本次采用地區(qū)經(jīng)驗公式法、推理公式法和瞬時單位線法推求設(shè)計不同頻率洪峰流量,對照統(tǒng)計結(jié)果見表6。

      表6 不同方法推求設(shè)計不同頻率洪峰流量對照統(tǒng)計表

      從表6可以看出,匯水面積法、瞬時單位線法推求的洪峰流量數(shù)值稍大,綜合參數(shù)法與推理公式法計算值數(shù)值接近。鑒于匯水面積法用于規(guī)劃設(shè)計中估算洪水之用,精度較低;經(jīng)驗公式綜合參數(shù)法可作為水利水電、公路交通、城市建設(shè)等工程設(shè)計在無資料地區(qū)推求設(shè)計洪水的方法之一;推理公式法是推求小流域設(shè)計洪水最常用方法之一,具有一定的理論依據(jù),因此選用經(jīng)驗公式綜合參數(shù)法計算成果作為留仙坪水位站控制斷面處不同設(shè)計頻率洪水成果。

      3.5 確定預(yù)警水位

      通過測量,防洪對象最低處為耕地,耕地的高程872.50 m,在圖2留仙坪水位站水位流量關(guān)系曲線中查出流量為115 m3/s,即防洪對象的最小防洪能力為115 m3/s。從推求的設(shè)計洪水?dāng)?shù)值上看介于5a(99.0 m3/s)和10a一遇(140 m3/s)設(shè)計洪水?dāng)?shù)值之間,因此預(yù)警流量應(yīng)在5 a和10 a一遇的設(shè)計洪水范圍之間采取??紤]到留仙坪水位站測驗斷面位于留仙坪鎮(zhèn)街道,兩岸人口較為密集,另外公路內(nèi)側(cè)臨河的河沿上有少數(shù)居民住房和部分河灘耕地,為引起人們的警覺,及綜合考慮波浪爬高、河道淤積等因素,采用90.0 m3/s作為預(yù)警流量,由該站率定的水位流量關(guān)系曲線查算得其相應(yīng)水位為872.30 m,見表7及圖3。

      表7 預(yù)警水位確定成果表

      圖3 留仙坪水位站預(yù)警水位與測站大斷面、水位-流量關(guān)系圖

      3.6 預(yù)警水位合理性分析

      (1)留仙坪水位站斷面左岸為村間水泥路,堤路結(jié)合,設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)20 a一遇,右岸河堤為10 a一遇洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),且右岸比左岸低,本次采用右岸河堤頂高程與初步確定的留仙坪水位站預(yù)警水位對比,進行合理性檢查。其對比分析結(jié)果見表8。

      表8 現(xiàn)狀堤防工程高程與預(yù)警水位對比分析表

      由表8可知,留仙坪水位站斷面右岸護坡堤頂高程高于本次初步確定的預(yù)警水位1.01 m,河道左、右岸是安全的。經(jīng)進一步分析認為,在洪水位達到872.30 m時,對防護對象留仙坪水位站下游村鎮(zhèn)、耕地等區(qū)域能夠起到警示和防汛預(yù)警的作用。

      (2)通過上述計算分析確定的留仙坪水位站預(yù)警水位872.30 m,相應(yīng)流量90.0 m3/s,相當(dāng)于5 a一遇(99.0 m3/s)設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn),與其上下游的最低防洪能力115 m3/s(耕地)相比有一定空間,能夠起到警示作用。

      (3)通過上述計算分析,最終確定留仙坪水位站預(yù)警水位為872.30 m,相應(yīng)流量90.0 m3/s。

      4 結(jié)論與建議

      預(yù)警水位分析的重點是預(yù)警流量的推求,在分析中應(yīng)盡可能搜集更多的水文資料,用多種方法進行綜合分析論證。本次預(yù)警水位分析嚴格按照《水文水利計算》和《商洛地區(qū)實用水文手冊》進行,通過采用不同的方法進行計算,并利用流域的自然地理、水文特征和現(xiàn)場實際情況等進行綜合分析比較,確定的留仙坪水位站預(yù)警流量和預(yù)警水位是科學(xué)合理的,可為無水文資料的中小河流預(yù)警預(yù)報確定警戒標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

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