无资料地区中小水利工程设计峰量比值推求方法

2019-02-21刘雯雯

水利技术监督 2019年1期

刘雯雯

(辽宁省沈阳水文局，辽宁沈阳 110003)

无资料地区中小水利工程规划设计需要对峰量比值进行推求，而由于缺乏实测资料，设计峰量比值的推求一直是无资料地区水利设计的难点[1]。当前，对于无资料地区的设计洪水计算大都采用相似移用方法[2-5]，但这种方法较适用于区域洪峰的计算，在峰量比值的推算适用性不高。当前，一种推求设计峰量比值的新方法在国内一些区域得到应用[6-9]，但是在北方地区应用还较少，为此本文引入该方法，结合实测洪水数据，提出基于无资料地区设计洪水峰量比值推求的方法，并以辽宁为研究实例，对辽宁省东部、西部的设计洪水过程线进行推求，研究成果对于辽宁省无资料中小流域的设计洪水过程推求具有重要的参考价值。

1 研究方法

1.1 流域汇流时间τ的确定

根据图1(水文分区)确定设计区域的水文分区，按照区域水文手册汇流历时相关线或者由公式(1)计算流域的汇流时间τ值：

(1)

式中，X、Y—参数；L、J—河长和河段平均坡度，取值可参照流域特征量的取值方法进行计算。

1.2 设计洪峰的计算

根据确定的τ值，结合设计面暴雨的计算方法来计算设计汇流时间τ的面雨量PτP面以及算设计面暴雨强度ip。根据设计面暴雨强度ip值，可得到设计频率下的洪峰系数φp，根据设计洪峰计算公式(3)计算设计洪峰：

(2)

Qp=0.278φp·ip·F

(3)

1.3 设计洪量的计算

根据公式(4)～(6)计算24h和3d设计洪量，计算方程为：

W3P=0.1×a3P×P3P面×F

(4)

W(3-24)P=0.1×(P3p面-P24p面)×F

(5)

W24=W3P-W(3-24)P

(6)

式中，a3P、a24p—参数；P3p面-P24p面—为最大3d和最大24h设计面暴雨量，计算方法见设计暴雨计算方法说明；F—为设计区域集水面积。

2 研究成果

2.1 水文分区成果

根据地理位置，辽宁省可分为东部、中部、西部以及半岛地区。结合辽宁地貌特征，分成的4个区域分别为：中部平原、东部山地、半岛丘陵和西部丘陵。中部平原与西部丘陵相邻的部分区域，其北部与内蒙古自治区接壤，该区域土壤沙化严重，与中部平原土壤明显差异，因此将此区域单独划分为一独立水文区，命为中北部。西部丘陵区的南部临近渤海，位置具有特殊性，同时与北部的丘陵区气候、坡度条件均有一定差异，因此，根据南北气候、坡度差异将西部丘陵区又分成2个水文区。最终，一级区共划分为6大水文区，分别命为中部Ⅰ区、中北部Ⅱ区、东部Ⅲ区、半岛Ⅳ区、西部Ⅴ区、西部Ⅵ区，水文分区成果如图1所示。

图1 水文地理分区成果

2.2 洪水过程统计

为了概化出洪水过程线基本线型，对实测洪水进行分析，内容包括洪水过程线单和双峰统计、涨洪历时和总历时确定、洪水过程线线型的概化。选用集水面积在600km2以下水文站(断面迁移视为一个站)，共53个，资料系列截至2017年。以洪峰、洪量为指标，从每个水文站分别选取洪峰、洪量排序前10的场次洪水，如果一场洪水的洪峰、洪量均排在前10，则合为一场。53个水文站中选取了542次洪水，见表1、如图2所示。

表1 区域单双峰统计结果

图2 辽宁省中小流域洪水过程线概化图

单双峰统计：以72h为控制历时，统计在该时段内出现的洪峰个数。在一次洪水过程中，其小峰流量小于等于主峰流量的10%，且峰现间隔时间小于24h，则该次洪水过程为单峰过程。若小峰流量大于主峰流量的20%，则为双峰或多峰。分析的542次洪水中，单峰413次，双(多)峰129次，分别占76.20%和23.80%。从各个分区看除IV区单峰为63.83%外，其余各区单峰数量均在70%以上，有的高达到85.71%。付峰在主峰前与在主峰后分别占双峰的51.16%、48.84%，基本各为一半。从图2中可看出，东部洪水过程峰值比要高于西部洪水过程的峰值比，东部峰现时间要高于西部。

2.3 洪水涨洪历时T涨及总历时T总分析确定

洪水历时的确定是在各区概化洪水过程线上，取不同的Qt/Qm值在过程线上左右滑动，确定过程线上起点与终点，起点到峰顶的时间为T涨，起点到终点的时间为T总。分析结果见表2、如图3所示。

从表2中可以看出，东西部中小流域涨落历时均在3d，峰值比在0.005～0.01之间。从图3中可看出，西部平均涨水历时要短于东部，而落水历时要长于东部。

2.4 设计洪水过程线峰量比值的计算

分析各区洪水过程线，主要考虑洪水三要素，即洪峰流量Qm、洪水总量W以及洪水历时T，以此推求不同区域的峰量比值。分析结果如图4所示。

表2 洪水过程涨落历时分析成果表

γ值对应的∑Qt/Qm与γT差值控制在0.05左右，洪峰处的比值为1，使推求的设计洪水过程线洪峰流量、洪量与设计的Qm、W3p相符。当γ值小于0.05时，一般出现在小面积流域，洪水历时在24h以内。考虑小型水库调洪的需要，小面积设计洪水过程线的洪量应为参与调洪的洪量W调。参与调洪的洪量W调是24h洪量中主峰汇流历时τ洪量与落水段2/3处洪量之和。