張伍民

（河北省承德水文勘測研究中心，河北 承德 067000）

灤河流域“21·7”洪水前期6月24日—7月8日連續(xù)降大到暴雨，柳河李營水文站持續(xù)漲水，于7月4、6、9日分別出現(xiàn)洪峰，洪峰流量分別為20.2、32.2、36.7 m3/s，漲水持續(xù)時(shí)間長，基流較大。7月12—13日，灤河流域普降大暴雨，最大1 h降雨量為清灰?guī)X的46.2 mm，最大24 h降雨量為王坪石的233.6 mm，暴雨中心在王坪石、九撥子一帶。灤河流域發(fā)生“21·7”洪水，李營水文站最大洪峰流量為1 360 m3/s。

1 概況

柳河發(fā)源在霧靈山腳下，屬深山區(qū)，一般山峰高度在1 000～1 500 m，高出河谷500～1 000 m左右，最高峰是霧靈山，海拔高度2 118 m。柳河流入下游潘家口水庫。柳河流域?yàn)樘糯A北地區(qū)燕山沉降帶的一部分，主要巖石為黑云紫蘇斜長片麻巖、泥質(zhì)白云巖，并有北東向構(gòu)造體系破裂帶。全流域土壤山地為棕色森林土，耕地多為沙壤土。流域內(nèi)植被覆蓋率較高約60%，水土流失不嚴(yán)重。

李營水文站位于柳河中游，是國家基本站，集水面積626 km2，屬于深山區(qū)代表站。水文站斷面以上共有3條較大支流，除主流外，另有北水泉和上窩鋪西大川，河網(wǎng)密度約0.18 km/km2，流域形狀系數(shù)為0.155。主河道長63.5 km，河道縱坡7.6‰，流域平均寬度9.9 km。水文站斷面以上流域共有14處雨量站，站網(wǎng)密度為44.7 km2/站。流域多年平均降雨量為715.6 mm，主要分布在6—9月，占全年的80%以上。上游有興隆水文站，集水面積96 km2，站網(wǎng)密度為313 km2/站。

由于上游未建大型水利工程，所以李營水文站斷面以上河道基本為天然河道。

2 資料選用及計(jì)算

2.1 資料選用

本研究選用7月12日0時(shí)—18日8時(shí)的洪水過程，時(shí)段降雨量選用流域內(nèi)代表性較高的單站降雨資料且與所選洪水過程對應(yīng)，降雨量選用7月12日0時(shí)—13日15時(shí)的降雨量，前期降雨量選用6月24日—7月8日的累計(jì)降雨量。柳河“21·7”洪水相關(guān)降水量統(tǒng)計(jì)，詳見表1。

表1 柳河“21·7”洪水相關(guān)降水量統(tǒng)計(jì)

2.2 次洪水降雨量計(jì)算

計(jì)算過程中，蒸發(fā)量忽略不計(jì)。

次洪水降雨計(jì)算如下：選擇降雨時(shí)段為1 h，采用算術(shù)平均法計(jì)算流域逐時(shí)段面平均降雨量，得到本次洪水的面平均降雨量為154.4 mm。

2.3 次洪水產(chǎn)流量計(jì)算

次洪水整個(gè)過程施測如下：起漲流量施測號數(shù)45次，流量13.6 m3/s；洪峰流量施測號數(shù)47次，流量1 360 m3/s；落平流量施測號數(shù)56次，流量38.4 m3/s。共施測12次，測得完整洪水變化過程。

本次分析采用目估法確定退水分割點(diǎn)，根據(jù)起漲點(diǎn)、退水拐點(diǎn)及洪水過程線所包圍的面積計(jì)算次洪水徑流深。洪水總量計(jì)算公式為：

式中：Wp為洪水總量（m3）；Qi為瞬時(shí)流量（m3/s）；Δti為時(shí)段（s）。

經(jīng)分析，確定柳河“21·7”洪水水位流量切線節(jié)點(diǎn)為（71 208∶13.6；71 608∶50.2）。切割后，該次洪水浄峰流量為1 340 m3/s。

柳河“21·7”洪水水位流量綜合過程線及切線，如圖1所示。

圖1 柳河“7·13”洪水水位流量綜合過程線及切線

選定時(shí)段各項(xiàng)水文特征值分別如下：切割前，次洪水總量6 283萬m3，平均流量116 m3/s，徑流模數(shù)18.5萬m3/（s·km2），徑流深度100.4 mm，降雨徑流系數(shù)0.44；切割后，次洪水總量4 451萬m3，平均流量128 m3/s，徑流模數(shù)20.4萬m3/（s·km2），地表徑流深度71.1 mm，降雨徑流系數(shù)0.31，地下徑流深度29.3 mm。

2.4 流域面平均日降水量和前期影響雨量計(jì)算

2.4.1 流域面平均日降水量計(jì)算

流域面平均日降水量計(jì)算公式為：

式中：k為折減系數(shù)，一般取0.80～0.95，本研究取0.9；Pt為流域面平均日降水量（mm）；Pa.t為初始影響雨量（mm）。

采用式（2）計(jì)算流域面平均日降水量，并以Im控制。Im為流域前期影響雨量最大損失量，一般取80～120 mm，本研究取80 mm。

2.4.2 流域前期影響雨量計(jì)算

Pa.t+1計(jì)算始于產(chǎn)生次洪水降雨的前一時(shí)段，若流域前期干旱，初始影響雨量取Im/2值。經(jīng)計(jì)算，次洪水前期影響雨量為251.9 mm。

2.5 產(chǎn)匯流計(jì)算

2.5.1 產(chǎn)流歷時(shí)計(jì)算

采用圖解法計(jì)算產(chǎn)流歷時(shí)tc，如圖2所示。

圖2 產(chǎn)流歷時(shí)tc圖解法

先找出洪水起漲點(diǎn)對應(yīng)的降雨時(shí)間，以此作為凈雨開始時(shí)間，計(jì)算累計(jì)凈雨，點(diǎn)繪時(shí)段累計(jì)凈雨P(guān)t-t圖，如圖2所示。在Pt軸上截取OA=Rs，過點(diǎn)A作曲線Pt-t的切線AB，切點(diǎn)C的橫坐標(biāo)tc即為產(chǎn)流歷時(shí)，縱坐標(biāo)Ptc則為產(chǎn)流歷時(shí)內(nèi)對應(yīng)的降雨量。

2.5.2 穩(wěn)定下滲率計(jì)算

采用前推法計(jì)算穩(wěn)定下滲率fc，如圖3所示。

圖3 前推法計(jì)算穩(wěn)定下滲率

如圖3所示，繪制峰型對應(yīng)的時(shí)段降雨與洪水過程線圖P-t、Q-t，從降雨時(shí)段末起往前推計(jì)算累計(jì)降雨量（凈雨），使其等于總產(chǎn)流量，即P計(jì)=Rs+Rg，圖中C、D段之間的累計(jì)降雨所對應(yīng)的時(shí)段為產(chǎn)流歷時(shí)。采用穩(wěn)定下滲率切割C、D之間的降雨柱狀圖，則陰影部分為下滲量。穩(wěn)定下滲率計(jì)算公式為：

式中：fc為穩(wěn)定下滲率（mm/s）；P計(jì)為計(jì)算凈雨量（mm）；Rs為地表徑流深（mm）；tc為產(chǎn)流歷時(shí)（s）。

根據(jù)穩(wěn)定下滲率在降雨柱狀圖上的切割位置，如果穩(wěn)定下滲率值均小于時(shí)段降雨量，那么直接采用式（3）計(jì)算；如果穩(wěn)定下滲率值大部分小于時(shí)段降雨量、個(gè)別時(shí)段大于時(shí)段降雨量，那么說明這幾個(gè)時(shí)段不產(chǎn)流，計(jì)算時(shí)應(yīng)從計(jì)算凈雨量中減去不產(chǎn)流的時(shí)段降雨量，從產(chǎn)流歷時(shí)中減去不產(chǎn)流的時(shí)段降雨量所對應(yīng)的時(shí)間，再采用式（3）計(jì)算即可。

2.5.3 匯流類型判定

采用推理公式法推求匯流參數(shù)m，即：

式中：τ為匯流歷時(shí)（h）；L為主河長（km）；J為流域坡度（%）；Qm為凈峰流量（m3/s）。

判定匯流類型方式如下：當(dāng)Rs/tc＞Qm/0.278/F，流域?yàn)椴糠謪R流；當(dāng)Rs/tc≤Qm/0.278/F，流域?yàn)槿鎱R流。其中，F(xiàn)為集水面積（km2）。

首先計(jì)算τ值，然后計(jì)算m值。當(dāng)部分匯流時(shí)，直接采用τ=0.278Rs·F/Qm計(jì)算τ值，然后通過式（3）求得m值；當(dāng)全面匯流時(shí)，τ=0.278Rst·F/Qm，因Rst未知，需試算或圖解求τ值，然后通過式（4）求得m值。

采用圖解法推求匯流歷時(shí)τ，如圖4所示。

圖4 匯流歷時(shí)圖解法

根據(jù)求出的穩(wěn)定下滲率切割降雨柱狀圖，計(jì)算不同歷時(shí)的凈雨Rst，從最大凈雨往兩邊累加，先找出一個(gè)時(shí)段t1的最大Rst1，求出Rst1/t1，然后找出第二個(gè)時(shí)段t2的最大Rst2，求出Rst2/t2，依此類推。在此基礎(chǔ)上，點(diǎn)繪Rst/t-t的關(guān)系線，在縱軸上截取OB=Qm/0.278/F，過B點(diǎn)作橫軸的平行線BA與曲線Rst/t-t相交于點(diǎn)A，點(diǎn)A的橫坐標(biāo)即為所求的τ值。

經(jīng)過分析計(jì)算，次洪水匯流歷時(shí)tc為11.0 h，穩(wěn)定下滲率fc為4.9 mm/h，Rs/tc為6.5，Qm/0.278/F為7.7，匯 流 歷 時(shí) 為4.0 h，m為0.4。由 于Rs/tc＜Qm/0.278/F，所以判定本次洪水為全面匯流。

3 結(jié)語

“21·7”洪水產(chǎn)流和匯流時(shí)間均比較短，洪水陡長陡落，符合典型的山區(qū)河流洪水特性。本次洪水過程線線型近似于標(biāo)準(zhǔn)山區(qū)洪水特征過程線，尤其是退水線部分可作為李營水文站退水曲線計(jì)算的重要參考。