河道系统治理设计洪水计算分析

柯帅

(信阳市水利勘测设计院，河南 信阳 464000)

0 引言

在河道治理防洪设计过程中，设计洪水计算是必不可少的，其结果为河道断面尺寸拟定、建筑物布置、岸坡防护等各项参数的确定提供依据，正确与否对整个项目影响甚大，重要性不言而喻。不同于水库设计洪水计算时一个点的计算，河道系统治理需要对一条河从河源至入河口的整条河道进行设计洪水计算。由于河道水面线的推求一般采用河道分段恒定非均匀流方法，河道的设计流量相应地根据沿流程支流汇入的情况分段给出，汇总各段河道的设计流量得到整条河的设计流量。设计流量的计算根据河道所在流域及临近流域的水文资料，采取不同的计算方法对计算结果进行合理性分析，上下游的流量成果要协调一致。文章以信阳市白露河系统治理设计流量为例，对其设计流量的计算过程进行了梳理，可对其他河道系统治理起到借鉴作用。

1 概述

1.1 流域概况

白露河位于信阳市境内，是淮河右岸一级支流；发源于大别山北麓的新县沙窝乡小界岭，流经新县、商城、光山、潢川、固始，至淮滨谷堆乡吴寨村入淮河；干流全长145 km，流域面积2 238 km2。流域地貌单元依次为山区、浅山丘陵区、陇岗冲积平畈，地势西南部高，东北低。流域北面为淮河干流，南部与长江流域接壤，东、西侧分别与淮河支流史灌河、潢河相邻。白露河支流众多，长度≥20 km，流域面积≥100 km2的支流有6条，按从上游往下游的顺序分别为小汪河、两河口河、蚂蚁河、紫泥河、春河及期思河。

1.2 水利工程概况

白露河流域内有双轮河大(2)型水闸1座，大石桥、兔子湖中型水库2座。双轮河水闸控制流域面积325 km2，无洪水调蓄功能，仅非汛期期间抬高水位以满足自流灌溉；大石桥水库控制流域面积7.40 km2，总库容1 172万m3；兔子湖控制流域面积50.80 km2，总库容1 962万m3。

1.3 暴雨洪水特性

流域内降雨量的年际和年内分配很不均匀。一年之内，夏季降雨较多，暴雨多发生在6—8月，以7月份为最多。在年际之间，年降雨量的比值可达3倍以上，并经常出现连旱年和连涝年。产生暴雨的天气系统以冷锋、气旋波和低涡为主。流域内洪水由暴雨形成，由于降雨时空分布不均，且又在山区向平原急剧过渡地带，坡降大，流程短，集流快，因此洪水预见期短，突发性强，河道宣泄不及，水位抬高。

1.4 测站概况

白露河干流从20世纪50年代以来先后设立的有双轮河、双柳树、白雀园、北庙集4个河道水文站。双轮河水文站于1952年5月设置，集水面积350 km2，测验项目有：水位、流量、降雨、蒸发等项目，观测至1960年。以后水文站移至下游8.30 km处的双柳树镇，其集水面积497 km2，观测至1966年。白雀园水文站设立于1974年，集水面积284 km2，观测至2003年，经审查整编刊印成册，具有一定的精度。另调查了白露河历史洪水，供设计时使用。根据白露河已有水文站点资料情况及设计洪水批复情况，采用直接法分别对白雀园站及北庙集站洪水进行计算，其余河道控制断面设计洪水根据实际情况分别选用比拟法、内插法、推理公式法确定。

2 设计洪水计算分析

2.1 白雀园站设计洪水

2009年做白露河上双轮河水闸安全鉴定时曾计算过白雀园站设计洪水，计算方法为直接法，洪水系列为1952—2009年，并考虑了1903、1930年历史洪水。此次仍采用直接法，并将2009年洪水系列延长到2017年。

2.1.1 洪水资料分析处理

白雀园站实测洪水资料系列为1975—2003年，共计29 a。为增强系列代表性，提高设计洪水计算精度，插补延长水文系列为1952—2017年。1952—1966年水文系列根据上下游测站的洪水按流域面积比的0.75次方插补延长。

以双轮河水文站作为参证测站，其集水面积F=350 km2，位于白雀园站(F=284 km2)下游17.70 km处，有1952—1960年水文资料，1961后水文站移至下游8.30 km处的双柳树镇，其集水面积497 km2，有1961—1966年水文资料，根据2站址洪水资料插补延长白雀园站系列。按面积比拟法移用于白雀园站时面积指数取0.75，水文系列为1952—1966年。

1967—1974年及2004—2017年水文系列利用邻近流域泼河水文站的洪水特征值相关关系插补延长。邻近流域泼河水库有较长实测资料，由《泼河水库水文复核报告》可得泼河水库实测洪峰系列为1952—2003年，此次延长至2017年；泼河水库与白雀园站有1975—2003年的同步观测资料，通过泼河站与白雀园站洪峰流量的相关系数计算，得相关系数为0.90>0.80，两者线性相关关系较好；且通过查阅《河南省水资源》(2007年)可知，泼河水库与白雀园站年均降雨量基本相等，年径流量也基本相等，两者产汇流条件相似，可以泼河水库洪峰流量系列插补延长白雀园站洪峰流量系列，关系式为：Q白雀园=1.07Q泼河+30.72。据此相关关系式，由1967—1974年及2004—2017年泼河水库洪水资料插补延长白雀园站洪水资料。

2.1.2 频率分析

频率曲线统计参数采用矩法初估，根据《水利水电工程设计洪水设计规范》SL44-2006规定，洪峰包括1903年、1930年调查洪水及1952—2017年实测洪水的不连序系列，用不连序系列公式计算统计参数。频率曲线线型采用皮尔逊Ⅲ型曲线，均值采用计算值，变差系数Cv和偏态系数Cs根据目估适线选用。白雀园站洪峰频率适线成果见表1。

表1 白雀园站设计洪水成果表

2.1.3 设计洪水比较及选用

此次设计洪水复核与2009年双轮河水闸安全鉴定时计算白雀园站设计洪水成果比较情况见表2。

表2 白雀园站设计洪水历史成果比较表

此次设计，资料系列延长到66 a，符合规范要求，并且考虑了1903年、1930年的历史洪水，代表性、合理性较好。与2009年双轮河水闸安全鉴定时计算白雀园站设计洪水成果相比，由于系列年限加长，且近年洪水较小，所以均值略有变小，各频率设计洪水减小5.43%。从防洪安全的角度考虑，此次仍采用2009年设计洪水成果，见表2。

2.1.4 设计洪水成果合理性分析

白雀园站设计洪水计算成果与邻近流域水库的成果比较见表3。由表3可见，白雀园站与泼河水库的洪峰模数相等，比石山口、鲇鱼山等的洪峰模数稍小，这与暴雨中心的分布规律是一致的。总的来看，此次设计洪水成果是合理的，可作为河道整治的设计依据。

表3 白雀园站设计洪水与邻近水库设计洪水成果对比表

2.2 北庙集站洪水

白露河中下游河段设计洪水曾进行过计算，河南省水利厅及淮委在不同时期对设计洪水成果进行了批复；2016年11月，信阳市水利勘测设计院编制完成的《固始县白露河黄岗至周寨(下)段治理工程初步设计报告(报批本)》对治理段洪水进行了复核，方法采用淮上法，计算成果与以往已批复洪水成果进行了比较后仍采用原批复成果；此次收集了北庙集水文站的洪水系列，采用直接法及比拟法2种方法对北庙集站设计洪水进行了复核。

2.2.1 洪水系列(直接法)

北庙集站实测洪水资料系列为1951—2017年，共计66 a，其中1951—1961年及2003—2017年观测有水位、流量资料，其余年份仅观测有水位数据，无流量资料，1951—1961年洪水资料由于水文站控制性不好，不予采用。根据2003—2017年实测历年最大水位、流量资料，绘制流量～水位关系曲线图，再由1962—2002历年最大水位查算各年洪峰流量，得北庙集站插补延长后的1962—2017年洪峰流量系列。

2.2.2 频率分析

频率曲线统计参数采用矩法初估，根据《水利水电工程设计洪水设计规范》SL44-2006规定，用连序系列公式计算统计参数。频率曲线线型采用皮尔逊Ⅲ型曲线，均值采用计算值，变差系数Cv和偏态系数Cs根据目估适线选用。北庙集站洪峰频率适线成果见表4。

表4 北庙集站设计洪水计算成果表(直接法)

2.2.3 间接法

治理段小河湾断面处控制流域面积1 996 km2，此次将其淮上法计算成果按面积比的0.75次方转换为北庙集站洪水，计算结果见表5。

表5 北庙集站设计洪水计算成果表(比拟法)

2.2.4 北庙集站设计洪水合理性分析及选用

北庙集站2种计算方法的结果与已批复的成果比较情况见表6。

表6 北庙集站两种方法计算成果与批复成果对比表

根据表6可知，直接法计算成果与2000年批复成果相比，5 a一遇大9.66%，10 a一遇小8.10%，20 a一遇小20.51%；比拟法计算成果与2000年批复成果相比，5 a一遇小3.44%，10 a一遇小10.70%，20 a一遇小19.78%；从工程防洪安全考虑，并保持设计洪水成果的一致性，此次北庙集站设计洪水仍采用2000年淮委批复成果，见表7。

表7 北庙集站设计洪水采用成果表

2.3 其他控制断面设计洪水

各控制断面根据支流汇入及河段拟实施工程情况，选取了双轮河闸、春河口上口、分洪道口上口、期思河口上口、紫泥河口上口、蚂蚁河口上口、两河口上口、小汪河口上口、熊河口上口，采用不同的方法计算其设计洪水。

2.3.1 双轮河闸设计洪水

由于双轮河闸在白雀园站下游不远，且两站控制流域面积相差不大，其设计洪水利用白雀园站面积比的0.75次方计算。

2.3.2 春河口上口设计洪水

计算方法同双轮河闸，参证站为尤庙控制断面，计算出春河口上口3、5、10、20 a各重现期设计洪峰流量。

2.3.3 分洪道口上口、期思河口上口设计洪水

以北庙集站、入淮口为控制节点，做流量～面积的双对数曲线，内插分洪道口、期思河口上口处设计洪水。

2.3.4 紫泥河口上口、蚂蚁河口上口、两河口上口设计洪水

以双轮河闸、春河口上口为控制节点，做流量～面积的双对数曲线，内插区间各控制断面处设计洪水。

2.3.5 小汪河口上口、熊河口上口设计洪水

量取流域面积、河道长度、河道比降等流域特征值，采用推理公式法计算，并经合理性分析后采用。

2.4 设计洪水的汇总

将前述干流各控制断面设计洪水成果汇总见表8。

表8 白露河干流各控制断面设计洪水采用成果表

3 结论

条件允许时，尽量采用实测水文资料计算设计洪水；采用实测资料进行设计洪水分析时，资料系列的年限应>30 a，有条件时应延长至最新年份，经分析后合理采用；对于设计洪水计算结果应进行合理性分析，可利用本流域或邻近流域参证站已批复设计洪水成果，经充分比较后采用。各控制断面设计洪水上下游应保持协调，在没有调蓄能力大的水利工程时，一般由上至下逐渐变大，不要出现上大下小的情况。