大夏河设计洪峰流量分析

贾 玲，孙栋元，牛最荣，张德栋，鄢继选

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州 730000)

河湖是水资源主要载体和国土空间重要组成部分[1]，河道管理范围划定是河道管理的基础，也是河道管理工作的一项重要内容。合理的河道管理范围划定是有效利用水资源、维持水资源可持续发展、水生态水环境安全的必要前提，而流域设计洪峰流量计算是河流水面线划定的重要内容之一。目前，国内许多学者针对不同频率设计洪峰流量计算做了大量工作，李伟龙等[2]研究指出设计洪峰流量是确定铁路桥涵高程、跨度的重要指标，都兴伟等[3]研究表明洪峰流量是确定河道最大行洪能力并进行堤线布置、护岸结构内容设计分析的重要依据，杨大勇等[4]研究指出设计洪峰流量是河道整治的科学依据，是河道在洪水时期安全行洪的有力保障。本文采用水文比拟法、地区经验公式法和面积指数法，推求大夏河流域不同频率设计洪峰流量，从而为河湖管理保护范围划定和河湖综合管控提供技术支撑。

1 研究区概况

大夏河属于黄河流域的一级支流[5]，流经夏河、临夏和东乡三县，河道全长202.9km，流域面积7154km2，于临夏县塔张村注入黄河刘家峡水库。以土门关为分界，大夏河上游地处甘南高原，气候湿冷，支流众多，中下游地处黄土高原，沟壑纵横，植被较差，极易发生水土流失、暴雨、泥石流、滑坡等自然灾害，两岸亦有短小支流汇入[6]。

大夏河设有夏河水文站、双城水文站和折桥水文站。其中，夏河水文站1960年设站，集水面积为1692km2，多年平均流量9.94m3/s，年径流量2.85亿m3，径流深168.4mm；双城水文站1953年设站，集水面积为6144km2，多年平均流量24.2m3/s，年径流量7.63亿m3，径流深124.1mm。

大夏河流域地处副热带气候区，上游和中下游气候特征差别很大。大夏河上游区为甘南草原，气候湿润，植被良好，年降水量多，局部暴雨少，洪水多因长历时降水形成，上游夏河县多年平均气温2.7℃，多年平均降水量517.4mm；下游区植被差，多为间歇性干沟、雨量少、蒸发大、气候干燥，容易产生历时短、强度大的雷暴雨，中下游多年平均气温6.8℃，多年平均降水量630mm。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

选取夏河站和双城站1953—2019年实测及调查洪峰流量系列数据为基本计算数据，所有数据均来源于水文部门。

2.2 研究方法

2.2.1水文比拟法

水文比拟法是指本地区水文气象状况和下垫面情况相同时，把参证流域的水文资料移置到设计流域的一种方法，主要解决无资料或缺少资料的小流域设计洪水计算问题[7- 8]。该计算方法适用于面积变化在20%以内的流域，水文、降水资料欠缺的部分地区可适当延长到30%以内使用。具体公式如下：

(1)

式中，Q断—计算断面洪峰流量，m3/s；F断—计算断面以上集水面积，km2；Q参—参证断面洪峰流量，m3/s；F参—参证断面以上集水面积，km2。

2.2.2地区经验公式法

地区经验公式法可应用于无水文、降水资料、以及周边也无任何资料的区域，主要适用于各断面面积相差不大、下垫面条件相同的洪峰流量计算。 大夏河流域面积小于6200km2，根据《甘肃省水文图集》，其洪峰流量可按如下经验公式计算：

Q设=q×F

(2)

q=K/F0382

(3)

式中，q—洪峰流量模数，m3/s/km2；F—设计断面流域面积，km2；K—系数。

2.2.3面积指数法

面积指数法是根据通过洪峰及洪量面积比拟定计算公式，推求每场实测洪水洪峰洪量面积比指数n值。指数n值的大小反映上、下游邻近参证站洪峰流量随面积的变化关系[9]，其真实性关系到洪峰流量计算结果是否合适。该方法适用于参证站与设计站区间降水、下垫面条件与设计站流域相似时的情况。具体计算公式如下：

(4)

(5)

式中，F1、F2—上、下游水文站集水面积，km2；Q1、Q2—上、下游水文站洪峰流量，m3/s。

3 洪峰流量计算

3.1 控制断面布设

由于大夏河在甘南州汇入桑曲却卡、酒昂、咯河、央曲、清水河等较大支流，将大夏河流域划分为8处断面进行洪峰流量推求[10]。具体断面特征值见表1。

表1 大夏河控制断面的布设 单位：km2

3.2 推求洪峰流量

L22、L31、L96和L214断面与夏河站相邻，故水文要素和下垫面条件相似，先用矩法初估参数，将实测频率计算和调查最大值作为特大值进行适线，采用P—Ⅲ型曲线适线后，得夏河站洪峰流量均值为59.4m3/s，Cv=1.08，Cs/Cv取值3.5，再以夏河站为参证站，用水文比拟法计算其洪峰流量；同样，双城站洪峰流量均值为162.37m3/s，Cv=1.00，Cs/Cv取值3.5，L251、L288和L324断面以双城站为参证站，推求其洪峰流量。采用水文比拟法计算控制断面不同频率设计洪峰流量结果见表2。

表2 各控制断面水文比拟法推求设计洪峰流量表

根据《甘肃省水文图集》，地区经验公式计算的控制断面频率主要有2%、5%、10%，设计洪峰流量见表3。

表3 各控制断面地区经验公式法推求设计洪峰流量表

L22、L31、L96和L214断面与夏河站降水、下垫面条件相似，故依据夏河站，采用面积指数法推求洪峰流量；双城水文站与断面L251、L288和L324降水、下垫面条件相似，则以双城站为参证站，依据面积指数法计算洪峰流量。计算时面积指数取2/3，依据夏河站、双城站计算的控制断面洪峰流量结果见表4。

3.3 计算结果选取与合理性验证

大夏河流域洪水产生原因主要是由暴雨形成的，洪水特性的决定性因素就是暴雨。一般发生在5—10月，来势迅猛，峰形尖瘦，峰高量少。其中，6—9月是洪水高发期，7—8月是大洪水已发期，短历时暴雨洪水发生时间较早，一般为每年的5—7月，长历时暴雨洪水相对出现时间较晚。

经对表5分析，水文比拟法、面积指数法与地区经验公式计算结果相差较大。流域上下游洪峰流量具有一定相关性，但大夏河流域上下游降雨、蒸发、下垫面条件和河道断面等差异较大，故各个断面的洪峰流量应根据具体方法的适用条件选用。地区经验公式法是目前较为简单的一种流量计算方式，主要利用实测和调查数据，通过面积推求洪峰流量，但使用公式需考虑流域各断面差异性，以及流域面积限制性。由于各断面面积差异较大，故不采用此种方法推求洪峰流量；水文比拟法主要适用于参证流域有大洪水资料，且与设计流域两者面积相差在20%以内[8]，L96、L214两断面面积与夏河站集水面积相差不大，相邻较近，下垫面因素相似，洪水相关和洪水同步性较好，故采用水文比拟法推求的洪峰流量成果；L22、L31与夏河站距离较近，降水和下垫面条件相似，故采用面积指数法成果。同样的，L251、L288、L324与双城站距离较近，降水和下垫面条件相似，也采用面积指数法成果。各控制断面设计洪峰流量成果见表6。

表4 各控制断面面积指数法推求设计洪峰流量表

表5 各方法计算的选定控制断面设计洪峰流量对照表

由历史洪水调查和实测洪峰流量资料知，夏河站实测最大洪水洪峰流量为2016年的181m3/s，调查最大洪峰流量为1935年的443m3/s，双城站实测最大洪水洪峰流量是1955年的576m3/s，调查最大洪峰流量为1904年的1140m3/s。面积指数法计算的L22控制断面100年一遇与夏河站2016年实测最大洪峰流量181m3/s比较分析，相差16.6m3/s，计算的100年一遇比实测值多8.4%；水文比拟法计算的L214控制断面百年一遇与夏河站1935年调查洪峰流量443m3/s比较分析，相差22.7m3/s，计算的百年一遇比调查值少5.4%；面积指数法计算的K324控制断面(流域出口断面)50年一遇洪峰流量与双城站1955年实测最大洪水洪峰流量576m3/s比较分析，相差59.6m3/s，计算的50年一遇比调查值多9.4%，综合分析以上计算结果，说明各控制断面洪峰流量成果合理性较好。

表6 大夏河划界河段不同频率洪峰流量成果表 单位：m3/s

4 结语

不同频率设计洪峰流量计算是水利工程规划设计、防洪减灾规划的核心技术环节。随着全国河湖管理范围划定工作大力推动，推求洪峰流量又重新成为诸多学者关注的焦点。本文采用67年的径流系列资料，假设洪水序列具有相对一致性，使用水文比拟法、地区经验公式法和面积指数法，推求不同频率设计洪峰流量，经过综合分析，L96、L214两断面采用水文比拟法成果，L22、L31依据夏河站采用面积指数法成果，L251、L288、L324依据双城站采用面积指数法成果。计算过程中，综合考虑了断面面积、降水、径流等因素的多重影响，成果相对比较合理。随着全球气候变化和人类活动对下垫面条件的改变，导致洪水形成条件发生变化，使得洪水系列不再满足一致性要求。在未来洪峰流量计算研究中，为了得到更准确的计算成果，应寻求合理的方法推求变化条件下的设计洪峰流量，为流域规划、水利工程设计及防灾减灾提供科学依据，同时为河湖管理范围划定提供技术支撑。