中小河流水面线推算成果验证方法探讨

2021-07-31谭鉴利王海元

工程技术研究 2021年11期

谭鉴利，王海元

1.广东珠荣工程设计有限公司，广东广州 510610

2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010

设计水面线对水利工程设计方案、工程规模、工程量、征（占）地、工程投资的影响较大。河道水面线推算受河道纵横断面、设计洪水、涉河建筑物、糙率、起推水位、洪水遭遇、计算模型等因素的影响，为了避免计算结果失真，需验证水面线推算成果。一般中小河流为无资料地区，历史洪水调查是验证设计水面线的可行方法。按照水文调查规范进行全面洪水调查的工作量大、耗时长、费用高。因此，文章根据中小河流保护对象的防洪标准，选择同频暴雨洪水进行针对性调查。经过验证可知，该方法简捷、高效、经济。

1 水面线推算方法

文章选择HEC-RAS软件计算河道水面线。

1.1 软件介绍

HEC-RAS软件是一个由美国工程水文中心开发的河道水力计算程序，其计算结果已经得到大量工程验证。HECRAS包括河道稳定、非稳定流的一维水力计算，能分析计算各种涉水建筑物水面线。

1.2 模型计算原理

（1）一维恒定流水面线计算基本原理为一维能量方程：

式中：Z1、Z2分别为上、下断面河底高程；Y1、Y2分别为上、下断面水深；v1、v2分别为上、下断面平均流速；α1、α2分别为上、下断面动能修正系数；g为重力加速度；he为水头损失，包括摩阻水头损失、局部收缩扩散水头损失两部分。

（2）桥梁壅水计算原理。在桥、涵等涉水建筑物建模方面，HEC-RAS主要考虑3项能量损失：①建筑物上游收缩能损；②由建筑物自身结构，如桥墩、涵洞口、溢流面等造成的能量损失；③建筑物下游扩散能损。

2 验证方法

根据中小河流保护对象的防洪标准，选择同频暴雨洪水进行针对性调查，以设计水面线与调查洪痕点的拟合情况判断成果的合理性。

2.1 设计暴雨确定

（1）频率分析法。流域内有长系列面暴雨量资料时，按年最大选样法组成各时段面暴雨量系列并审查代表性后，进行频率分析。经验频率公式为

式中：Pm为经验频率；m为序号；n为样本容量。

频率曲线采用皮尔逊Ⅲ型曲线进行适配线，确定暴雨均值、Cv、Cs等参数。设计面暴雨计算公式为

式中：Hp为设计面暴雨；H平均为暴雨均值；Kp为P-Ⅲ曲线模比系数。

（2）间接计算法。流域内短缺面暴雨量资料时，采用间接计算法，先查算流域中心附近的设计点暴雨量，再按点-面关系间接计算设计面暴雨量[1]。流域所在地区基本已绘制暴雨参数等值线图，按流域中心点位置可查取各历时暴雨参数（均值、Cv、Cs等），查询流域点-面转换系数α，确定设计面暴雨，具体公式如下：

2.2 同频率洪水调查

对中小河流，可进行非固定点洪水调查，调查的主要内容如下：（1）洪水发生的时间；（2）最高洪水位痕迹、洪水历时及涨落变化情况；（3）河段发生洪水时的河床组成，滩地植被情况及冲淤变化情况；（4）施测洪痕高程、河道纵横断面、简易地形平面；（5）洪水来源、成因及组成情况；（6）与洪水相应的流域降水情况；（7）与洪水有关的文献文物的考证及影像资料；（8）洪峰流量、洪水总量和洪水过程的推算和分析[2]。

3 实例分析

3.1 流域概况

（1）河道。柏塘河位于广东省博罗县，是东江二级支流、公庄河一级支流，流域集水面积279.65km2。发源于杨村茶山，主流向大致从西向东，流经柏塘镇白岭、黄新、陂头、坳头、山前、新陂、柏塘镇区、石湖、杨村镇塘角村、陈村、埔心，于杨村镇区汇入公庄河。柏塘河流域集水面积279.65km2，干流河长37.66km，干流坡降3.60‰。

（2）洪水特性。河道洪水主要由降雨汇流形成，每年4—9月为暴雨洪水期，年最大洪水主要集中在5、6月份。

3.2 设计水面线推算

（1）设计洪水。柏塘河无实测流量资料，设计洪水由设计暴雨推求。设计洪水采用广东省综合单位线法和推理公式法计算分析，最终采用广东省综合单位线方法计算的设计洪水成果[3]。柏塘河河口控制断面10年一遇设计洪峰为982m3/s。

（2）断面资料。文章推算河道水面线采用的断面资料为2019年5月实测的河道纵横断面资料，计算断面的选择和间距充分考虑河道断面形式、河道平面形态的变化和跨河建筑物的分布，选取断面共90个，断面间距100m，并考虑沿河水陂、桥涵的阻水作用。

（3）河道糙率。根据计算河段河床、岸坡等特征参考地区类似工程，糙率取0.033。

（4）起推水位。P=10%起推水位采用博罗县公庄河治理工程初步设计报告的水位成果。

（5）水面线计算结果。根据设计洪水、实测断面、河道糙率、起推水位，采用HEC-RAS建立模型推算柏塘河水面线。

3.3 同频洪水选择

柏塘河无实测流量、水位系列资料，不能采用洪水系列资料P-Ⅲ适线查频选定洪水典型年，因此文章假定设计暴雨与设计洪水同频率，以暴雨量为依据选择同频洪水。

（1）历史暴雨量调查。根据柏塘河沿岸居民、地方水利工作人员及相关洪水记录反馈，洪水灾害较严重的年份为2005年、2014年、2019年。结合相关记录，可得暴雨实测值，暴雨量调查表如表1所示。

表1 暴雨量调查表

（2）同频洪水选择。根据《广东省暴雨参数等值线图（2003年）》可查取各历时暴雨参数（均值、变差系数Cv等），由此可间接计算设计面暴雨，柏塘河设计面暴雨计算表如表2所示。

表2 柏塘河设计面暴雨计算表

2005年洪水发生于6月19日至22日，柏塘河流域内分布较均匀的梅树下、独松、柏塘雨量站实测暴雨量平均值为362mm，与表2中设计面暴雨H72h（P=10%）353mm相近，该场次洪水发生时间、地区组成、洪水成因、洪水历时等方面基本能代表柏塘河流域10年一遇洪水的特性，因此文章选取2005年洪水作为10年一遇典型洪水。

3.4 洪水调查验证

（1）2005年洪水调查。2006年4月，地方结合公庄河防洪治涝规划要求，对2005年洪水进行了调查。调查时间与洪水发生时间相隔不到一年，洪水痕迹明显、可靠，具有代表性。柏塘河调查洪痕点3个，分别为金龙桥、大井、老围，经测量其洪痕高程分别为27.03m、28.23m、28.67m。

（2）水面线验证分析。2005—2019年，柏塘河研究河段控制集水面积、河宽、河道走势基本不变，河床坡降基本不变，仅局部受冲淘或人类活动影响有所下切。因此，2005年洪痕点基本可代表10年一遇洪水水面线。水面线对比分析表如表3所示，推算的水面线（P=10%）与2005年洪水洪痕点高程相差-0.04～0.22m，水位相差较小，说明推算的水面线成果较合理，可满足地方防洪排涝及发展建设方面的要求。