首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 水利水电工程论文 > 西北干旱山区小流域设计洪水计算方法研究

西北干旱山区小流域设计洪水计算方法研究

2023-11-09 1141 上传者：管理员

摘要：西北干旱山区受地形及观测条件限制多为无实测资料的小流域，常见流域洪水计算方法计算精度难以适用于山区小流域。本文通过采用地方经验公式方法和原铁一院推理公式实例计算分析，得出地方经验公式适用于10 km2以下的极小流域、原铁一院推理公式适用于10～100 km2的较小流域地区的结论，为无实测资料的干旱山区小流域选择设计洪水计算方法提供科学依据。

关键词：
实测资料
小流域
山区
干旱
洪峰流量
加入收藏

西北干旱山区，境内降雨多集中在7-9月，暴雨频发，加上人类活动的影响，局地性暴雨引发的山洪、泥石流灾害时有发生，造成小流域地区下游大面积淤积、住宅埋没、伤亡严重，财产损失较大。为此，设计洪水就要求具有较高的精度，为山洪预警、山洪灾害防治、工程建设等提供较为精确的设计参数。但是干旱山丘因地形限制，山脊线将汇流面积划分为100 km2以下的沟道小流域，同时存在洪水资料缺乏，设计洪峰流量计算所采用的频率适线法、推理公式法、瞬时单位线法等已经不适用，并且国内外研究资料对于100 km2以下的较小流域洪水计算方法研究较少。因此，本文以甘肃省某区为实例，通过地方经验公式法、原铁道部第一勘察设计院公式法对小100 km2流域面积的典型沟道进行设计洪峰流量分析计算，对计算方法的适用性进行了进一步的论证，获取了更高的精度[1,2,3,4,5,6]。

1、区域概况

1.1 地质气象条件

甘肃省某区位于甘肃省中部，地貌分区属陇东、陇西黄土高原区之陇西黄土丘陵中山山地亚区，其西北部为阿尔金山-祁连山侵蚀构造山地区之祁连山东段中山山地亚区。该区南部和北部均为山脉地形，中间区域为黄河流经后冲刷沉积形成的谷地。南部和北部山脉向中部黄河冲刷沉积区域的谷地倾斜，黄河自西向东穿越全境。山脉可由黄河河道分为南北两个部分，南部和北部山脉平均海拔约为1 800 m。黄河谷地平均海拔约为1 540 m, 地势比较平坦。

根据该区气象台多年(1981-2020年)资料统计，该区多年平均的降雨量约为293.5 mm, 多年最大的降雨量约为407.7 mm, 多年最少降雨量约为168.3 mm, 该区属内陆季风气候，降雨过程主要集中在每年的7-9月份，占全年降雨的61%以上。

1.2 土壤类型及植被条件

该区的主要土壤类型包括粘壤土和砂粘土。其中，粘壤土分布面积最大，砂粘土的比例相对较少(具体分布见图1)。该区境内大部分面积被草地覆盖，沿河附近分布有部分耕地，无林地分布(具体分布见图2)。

图1 某区土壤类型分布图

图2 某区土地利用情况图

2、流域特征值量算

2.1 流域特征值计算方法

根据目前较为广泛应用的设计洪水计算方法[7],按照如下方法计算：

根据所计算目标流域的1〯10 000(F≤200 km2)地形图，分别采用量算仪器手工计算或相关软件(GoodyGIS)量算目标流域面积F、主沟长度L、主河沟纵坡J。

其中J值按下式计算：

J=P1L1+(P1+P2) L2+(P2+P3) L3+…L2 (1)

式中：Pi为某一点与出口断面的高程差；Li为分段距离；L为主沟总长度。

2.2 流域特征值计算结果

本次计算选取了该区11条典型的沟道进行相关的分析计算，分别测量计算了各沟道的面积、河道长度、主河道比降等数据，成果如表1。

3、暴雨量计算

根据《某市区山洪—泥石流设计流量复核论证》,该区年最大1 h点雨量均值为17.5 mm。为了进一步分析研究，在上述研究资料的基础上，增加了该区2000-2020年近二十年的降水资料，并对照《甘肃省暴雨洪水图集》,反映出该区的年最大1 h的点降雨量在14～18 mm等值线之间，通过查表确定该区年最大1 h点雨量均值为15.3 mm。综合考虑相关成果资料后取16.5 mm。

表1 某区山洪沟道特征参数表

4、设计洪峰流量计算

该区设计流域缺乏水文资料，首先采用地区经验公式进行估算洪峰流量得出结果后，采用原铁道部第一勘察设计院推理公式再次进行估算洪峰流量，并对结果进行对比分析[8,9,10,11,12,13]。

4.1 地区经验公式

如果在包含计算地区的较大范围内，有n个附近流域观测有较为完备的降水及流域洪水相关的观测资料，可以求出每个流域的设计洪峰流量QMP,j(j=1,2,…,n),依据已计算出的设计洪峰成果，按照目标流域的调查气候因子x1,x2,…和地理地形因子y1,y2…等资料，通过多种研究计算及相关性分析，分析推出计算目标流域的设计洪峰流量经验公式，即：

QMP=φ(x1,x2…,y1,y2…) QMP=QM平均(φpCv+1) (2)

QM平均=kFnHmM平均

Jαfβ (3)

式中：φp为离均系数，通过查阅皮尔逊Ⅲ型曲线离均系数φ值表可以得到。QM平均为年最大洪峰流量均值(m3/s);F为流域面积(km2);HM平均为年均最大1 h雨量均值(mm);J为干流河(沟)道平均坡度(‰);f为流域形状系数，采用f=FL2

计算；n, m,α,β为指数；k为综合指数。

4.2 参数选取

(1)P-Ⅲ型分布及K-M分布的适用性都很强，只要参数Cv及Cs选用适当，都能与我国洪水相适应。该区附近庄浪河红崖子站有34 a实测洪水资料、洪水调查资料，1933年的洪峰调查值为809 m3/s; 庄浪河武胜驿站有44 a实测洪水资料，1933年的洪峰调查值为520 m3/s; 兴隆河榆中水文站有20 a实测洪水资料；另外，选用了7个资料情况较好的定点洪水调查河段。用以上资料进行计算，通过适线求得变差系数Cv与偏态系数Cs。

(2)甘肃中部、东部地区洪水陡涨陡落，峰形孤独尖瘦，从《甘肃省水文图集》中查得Cv值在1.0～1.3左右，本次计算Cv值采用1.2,Cv/Cs值采用3.5,查得φp值见表2。

表2 不同频率值表

(3)根据计算目标流域相关条件，上式中有关参数分别为0.6,0.75,0.19,0.09。

(4)k是地区经验公式一个综合系数，由于本次调查计算的区域沟道流域面积差别较大，土壤结构、植被类型较复杂，根据近几年的实际调查分析，该综合系数K值取0.24。

4.3 原铁道部第一勘察设计院推理公式(以下简称“铁一院公式”)

铁一院公式通过多年的研究论证及在多个行业部门的应用结果分析，该公式针对西北干旱、半干旱地区计算洪峰流量的适用性较强，并且在汇水面积小于100 km2的小流域沟道具有较高的计算精度。

铁一院公式为：Qp=[k1(1−k2)k3Xn]11−n′y

式中：Qp为频率为P的暴雨洪峰流量(m3/s);k1为产流因子，按公式计算：k1=0.278η·Sp·F;k2为损失因子，按公式计算：k2=R·(η·Sp)r1-1;k3为造峰因子，按公式计算：k3=(1−n′)1−n′(1−0.5n′)2−n′

;n′为随暴雨衰减指数而变的指数：n′=Cn⋅n(1−r1k)(1−k2)

;X为山坡和主沟槽综合汇流因子，由河槽汇流因子K1和山坡汇流因子K2而定：X=K1+K2,K1=0.278L1A1⋅I0.351,K2=0.278L0.52⋅F0.5A2⋅I0.332

式中相关参数根据典型沟道下垫面特征选取相应参数后进行计算。

4.4 计算成果

根据暴雨与洪水同频率的假定，某区沿沟道设计洪水频率即设计暴雨频率按照《山洪灾害分析评价技术要求》的要求，需确定5 a一遇、10 a一遇、20 a一遇、50 a一遇、100 a一遇5种洪水频率[13]。

本文分别采用地区经验公式计算方法及铁一院公式方法进行计算，各沟道设计洪水计算成果如表3。

4.5 计算结果分析

通过地方经验公式及铁一院法对设计洪水的结果分析，由表中可以看出不同方法计算得到的设计洪峰流量成果存在一定差异，为获得较高的保证率，经过合理性分析，流域面积小于10 km2的沟道采用兰州经验公式计算得到的设计洪水成果，流域面积在10～100 km2的沟道采用铁一院公式计算得到的设计洪水成果。

表3 某区沟道洪水计算成果表

经对比分析选取较合理的数值，沟道设计洪水计算方法如表4所示。

表4 山洪沟道设计洪水计算方法

5、结语

(1)西北地区地形复杂，主要以山区为主，且大部分沟道属季节性流水，实测资料的水文站分布较少，计算流域难以获得水文资料。根据甘肃省暴雨洪水图集，瞬时单位线计算洪峰流量方法多适用于汇流面积在100～1 000 km2的流域，汇流面积小于100 km2的计算准确度难以保证；水利科学研究院水文研究所提出的计算洪峰流量推理公式(简称推理公式)多适用于汇流面积30～300 km2的流域，汇流面积小于30 km2的流域计算精度不高。西北地区主要以山区为主，山脊将汇水面积分割为汇流面积小于100 km2的沟道，流域面积大多小于30 km2,目前广泛采用的洪峰计算方法不适用。通过计算分析，地方经验公式计算方法及铁一院法可以在小于30km2的小流域洪峰流量计算中获得较高的精度。

(2)流域面积小于10 km2的地区采用地方经验公式计算洪峰流量普遍大于铁一院推理公式法，流域面积在10～100 km2的地区铁一院公式法计算洪峰流量大于地方经验公式法。根据地方经验公式及铁一院法计算结果分析，流域面积小于10km2的地区适用地方经验公式，流域面积在10～100 km2地区适用铁一院公式法。

(3)本文进一步通过流域面积对计算方法的选取进行了进一步分析，提高了干旱山区小流域地区设计洪水计算精度，有利于洪水灾害预警、防洪工程建设的计算指导。

(4)随着我国西北地区经济发展，人口密度的增加，干旱山区小流域地区设计洪水计算精度有着重要意义，下一步将继续深入研究干旱山区小流域设计洪水的价算方法，进一步提高干旱山区小流域设计洪水的精度，为设计、防洪预警管理等提供更科学的依据。

参考文献:

[1]水利部水利水电规划设计总院.水利水电工程设计洪水计算规范:SL44-2006[S].2006.

[2]水利部南京水文水资源研究所,水利部长江水利委员会水文局.水利水电工程设计洪水计算手册[M].中国水利水电出版社.1995.

[3]郭生练,刘章君,熊立华.设计洪水计算方法研究进展与评价[J].水利学报.2016,(3).

[4]李林蔚,谭秀翠,王蒙,等.无实测资料地区设计洪水计算方法[J].水利技术监督.2019(3):193-194+225.

[5]汪建武,薛晓鹏,杨让瑕.推理公式法在无资料地区小流域洪水计算中的应用[J].地下水.2015.(4).

[6]丁成.地区经验公式在无资料小流域山洪沟道设计洪水计算中的应用分析[J].地下水.2016.(1).

[7]林鸿敏.小流域设计洪水计算方法探讨[J].甘肃水利水电技术.2018.54(6):1-7.

[8]李立.浅析无资料小流域设计洪水计算—以乌兰察布高原东南部丘陵区为例[J].水利规划与设计.2016.(8).

[9]小流域暴雨径流研究组著.小流域暴雨洪峰流量计算[M].科学出版社.1978.