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

李 立

(内蒙古自治区水利水电勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020)

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

李 立

(内蒙古自治区水利水电勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020)

本文阐述了无资料小流域设计洪水计算方法，并率定了计算参数。选择乌兰察布高原东南部丘陵区乃曼郭勒和东河两个典型区，采用两种方法计算设计洪水，并通过历史调查资料验证计算方法及参数的合理性，同时针对设计洪水计算的制约因素提出解决措施。

小流域;无资料;设计洪水;验证

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.017

乌兰察布高原东南部地处内蒙古自治区乌兰察布市和锡林郭勒盟接壤地带，西邻阴山北麓土石山丘陵草原区，北侧和东侧与浑善达克沙地相接，南为大马群山，行政区划涉及乌兰察布市的商都县、化德县和锡林郭勒盟的镶黄旗、正镶白旗及太仆寺旗等。区内地势开阔，地表起伏不平，多宽浅盆地，海拔高程为1200～1600m，丘陵、高平原、沙漠、湖沼等多种地形相间分布。本区涉及察汗淖尔、阿拉腾嘎达斯、东乌兰诺尔及西乌兰诺尔水系，水文观测站点稀少，缺乏实测水文资料，给设计洪水计算带来了极大的困难。目前，小流域设计洪水计算方法主要有水文比拟法、地区经验公式法和推理公式法［1］，前两种方法原理基本一致，本文主要探讨地区经验公式法和推理公式法的适用性。

1 计算方法

1.1 地区经验公式法

地区经验公式需要通过具有长期观测资料且有代表性的水文站设计洪水参数进行率定。内蒙古自治区内陆河上控制流域面积小于1000km2的水文站点有乌兰花河活佛滩站、霸王河集宁站和不冻河商都站。其中活佛滩站集水面积为92.5km2，流域内地貌为大青山北麓土石山区丘陵区;集宁站集水面积为701km2，流域内地貌为台地丘陵区;商都站集水面积为543km2，流域内地貌为丘陵区［2］。《内蒙古自治区水文手册》选用商都站为代表站分析了丘陵区的洪水地区经验公式，资料系列为1962～ 1974年，年限不足15年，代表性不强。本次采用延长至2006年的商都站设计洪水成果修正地区经验公式。

1.1.1 单参数公式［3，4］

单参数地区经验公式的形式为:

n—洪峰衰减指数;

C1—经验系数;

F—流域面积，km2。

本次分别对面积小于 100km2及大于等于100km2的流域地区经验公式进行了修正，洪峰衰减指数n采用《内蒙古自治区水文手册》中的成果，经验系数C1采用延长系列后的设计洪水成果反算，修正成果见表1。

表1 丘陵区地区经验公式修正系数

1.1.2 多参数公式［3］

多参数地区经验公式的形式为:

J—控制断面以上河道比降;

f—流域形状系数，f=F/L2，L为河道长度(km);

C2—经验系数;

其他符号含义同上。

利用商都站多年平均洪峰流量、多年平均24h暴雨(以点代面)、河道比降、流域面积及河道长度反算公式中的经验系数C2，计算成果见表2。

表2 多参数公式经验系数C计算成果

1.2 推理公式法［3，4］

式中:Sp=H面24h，p24n-1

H面24h，p—设计标准下的24h面平均暴雨;

ns，L=1+C×lg(HS/Hl)，暴雨递减指数，较短时段为S，较长时段为 L［5，6］;1h～6h和6h～24h的C值分别为1.285和1.661;产流历时内平均下渗强度(mm/h);

hm—设计暴雨产生的径流深(mm)，hm=aH24h，p;产流历时;

m—汇流参数;

F0—流域地形图上长度为LtB的最大面积。

2 典型区计算案例

2.1 典型区概况

2.1.1 流域概况

本次计算典型区选为正镶白旗明安图镇乃曼郭勒和太仆寺旗宝昌镇东河。乃曼郭勒位于正镶白旗境内，属于锡林郭勒盟南部内陆河阿拉腾嘎达斯水系，是布尔嘎斯特郭勒的一级支流。该沟为季节性山洪沟，发源于额勒图山，自北向南流经正镶白旗政府所在地明安图镇后，折向西，其下游又称为后河，在大淖附近汇入布尔嘎斯特郭勒［7］。该沟流域面积为201.9km2，河道长度为48.2km，河道比降约为10.3‰［8］。流域海拔高程在1230～1730m之间，为低山丘陵区，植被覆盖差，水土流失严重。

东河位于太仆寺旗中部，是宝昌沟流域主要河流之一，为季节性河流，发源于太仆寺旗后房子村的小尖梁的南麓，向南贯穿宝昌镇，经白马群进入平缓草原，最终汇入乌兰诺尔［8］。该河流域面积为474.8km2，河道长度为 45km，河道平均比降为5.8‰［9］。宝昌镇以上河道蜿蜒曲折，河床为卵石砂砾覆盖，以下属于平缓草原。

设计洪水计算控制断面选择:乃曼郭勒选为明安图镇旧中心桥;东河选为宝昌镇宏大水库坝下。控制断面以上流域特性见表3。

表3 典型区洪水计算控制断面以上流域特性

2.1.2 气候特征

本区域属于中温带半干旱大陆性季风气候区。气候特征为春季干旱多风，夏季短热多雨，秋季凉爽温差大，冬季严寒漫长。根据区域内气象站观测资料统计分析，多年平均气温为1.4～3.5℃，极端最高气温为33.5～38.7℃，极端最低气温为-35.0～-39.8℃。多年平均降水量为 268.0～386.8mm，主要集中在6～9月，占全年降水量的70%。多年平均蒸发量为1715.5～2235mm(Φ20蒸发皿)。多年平均风速为3.4～4.8m/s，历年最大风速24～40m/s，汛期6～9月多年平均最大风速为14.2～16.4m/s，风向多为WNW。该区域历年最大冻土深为199～295cm。

2.1.3 暴雨洪水特性

本区域河流洪水主要由暴雨形成，暴雨同西太平洋副热带高压的活动有密切关系，每年6月下旬至9月上旬是暴雨最为活跃期，水汽沿太平洋高压西北前沿输送至此，与西风带中的冷涡气旋配合，冷暖气流的交汇为本区暴雨的形成提供了有利条件。本地区年降水量不大，但局部暴雨比较频繁，暴雨的特点是突发性强、笼罩面积小、强度大、历时短，一般主雨历时多在3～4h。根据观测资料统计，多年平均24h最大降雨量为39.3～52.2mm，历年最大一日降雨量正镶白旗为111.0mm(1974年)、太仆寺旗为121.8mm(1969年)。

洪水与暴雨同期，其特点为峰高、量小、洪水历时短，一次洪水历时一般不超过24h。

2.1.4 实测及调查洪峰流量

在明安图镇和宝昌镇均有调查洪水，洪水发生年份为1983年和2003年，调查洪峰流量为176～465m3/s，重现期为25～1000年。实测及调查洪水成果见表4。

表4 实测或调查洪水成果［8，9］

2.2 典型区设计洪水计算

利用前述两种方法计算典型河流控制断面以上设计洪水，计算成果见表5，其中推理公式法计算参数见表6和表7。

表5 典型区设计洪水计算成果

表6 旧中心桥设计洪计算参数

表7 宏大水库坝下设计洪计算参数

2.3 计算验证及方法适应性分析

利用调查的乃曼郭勒2003年洪水和东河1983年洪水验证前述两种设计洪水计算方法的合理性，成果对比见表8。

表8 典型区设计洪峰流量计算值与调查值对比验证

通过上表对比分析，乃曼郭勒设计洪水计算中单参数地区经验公式计算值与调查值最为接近，偏小8.5%;东河设计洪水计算中多参数地区公式和推理公式法计算值与调查值相差都不大，离差分别为4.3%～2.6%。由此看出，两种方法对典型区均有其各自的适应性，设计洪峰流量合理确定关键还要依靠实测或调查洪水的验证。

3 结语

通过上述分析可知，无资料地区小流域设计洪水计算的关键是具有实测或历史调查资料进行验证。

目前，内蒙古自治区广大区域水文基础观测设施建设严重滞后，小流域水文观测资料匮乏，严重制约了工程设计中水文分析计算工作，水文部门应完善水文基础观测站网建设规划，尽快建设小流域水文试验站。局地暴雨洪水调查工作未能全面及时开展，致使无资料地区设计洪水合理性无法验证，应加强管理，使小流域局地暴雨洪水调查工作常态化。水文观测及调查资料不能全面共享，限制了科研人员对小流域设计洪水计算方法及基础参数的研究，建议水文资料面向全社会公开。

［1］SL44-2006.水利水电工程设计洪水计算规范［S］.

［2］郑春溪，李立，等.内蒙古自治区锡林郭勒盟镶黄旗新宝拉格镇防洪工程初步设计报告［R］.呼和浩特.2011.

［3］内蒙古自治区水文总站.内蒙古自治区水文手册［R］.呼和浩特.1977.

［4］陈家琦，张恭肃.小流域暴雨洪水计算［M］.北京:水利电力出版社，1983.

［5］水利部水文局，南京水利科学研究院，中国暴雨统计参数图集［M］.北京:中国水利水电出版社，2006.

［6］连明涛，朱文升.特大暴雨递减指数分析［J］.水利规划与设计，2014(11):14-16.

［7］内蒙古自治区水文总站.内蒙古自治区(西部)河流湖泊(诺尔)特征值手册［R］.呼和浩特.1980.

［8］严坤钦，李立，等.内蒙古自治区正镶白旗明安图镇防洪工程初步设计报告［R］.呼和浩特.2011.

［9］河北省水利水电第二勘测设计研究院.内蒙古自治区太仆寺旗宝昌镇东河防洪工程初步设计报告［R］.石家庄.2011.

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1672-2469(2016)08-0050-03

2015-10-23

李 立(1982年—)，男，工程师。