康县清河流域设计洪水计算及合理性分析

王乐文

（天水水文水资源勘测局,甘肃 天水 741000）

1 流域概况

铜钱河发源于康县豆坝镇杨李村,主干流西东走向,渐转而南。流经豆坝、店子、秧田、铜钱4 个乡的24 个行政村,于铜钱乡下游右岸汇入燕子河,全长73 km。干流海拔693 m～1850 m。划界河段全长73.3 km,集水面积519.5 km2,河段平均比降19.21‰。主河道穿行于牛头山梁与乌鸡沟大山梁之间的高山狭谷中,是燕子河系中最大的补给支流。以三河河、解板河为主要支流,与众多的横切山体的小支沟汇集坡面径流,注入河道,组成径流补给系统。整个流域呈扇形,流域系数0.43左右。

该河流域有大面积森林分布,植被分布由下游至上游逐渐减少,平均自然覆盖率52.89%。河谷狭窄,弯曲多变,走向频繁转折,有众多河湾分布。河谷宽度由上游向下游逐渐变窄,无发育较好的河漫滩。该河流域处于康县高强度暴雨区,雷雨季节洪水频繁,水势汹汹,水流湍急,河湾众多,水力资源开发条件优越。

铜钱河属典型的山溪性河流,处于西秦岭南侧陇南山中,地质构造为昆仑秦岭地槽褶皱地带,地势西高东低,流域气候条件差异较小,无绝对无霜期。气候温和,雨量充沛。年平均气温12.1℃,7月～9月是雨季,约占全年降水的60%,年平均降水量850 mm。

2 资料及方法

本次水文分析计算依据清河周边水文站实测整编资料及相关成果报告,包括：镡家坝、康县水文站实测整编资料,《康县历史山洪灾害调查资料》[1]《甘肃省水文图集》[2]《甘肃省暴雨洪水图集》[3]《甘肃省暴雨特性研究》[4]等。采用方法有水文比拟法、地区经验公式法、水文图集法及水科院推理公式法。清河周边水文站基本信息见表1。

表1 铜钱河周边水文站、雨量站基本信息表

3 控制断面布设分析

控制断面的布设考虑干流河口、主要支流汇合口下游的顺直河段、水文站控制断面、拦河建筑物等。优先选择已批复报告中已有断面,本次共测得235 处实测断面,无法搜集的则补测断面。按照《甘肃省省级河湖管理范围划定工作技术方案》技术要求,本次干流控制断面划分8 处,积水面积见表2。

表2 设计洪水计算控制断面统计表

4 径流量分析计算

清河邻近岸门口河康县水文站[5],实测多年平均径流深为264.5 mm,与清河流域中心多年平均径流深相比,差距较小。选取康县站1956 年～2016 年径流资料,求得其多年平均径流量0.62 亿m3,经采用P-Ⅲ型曲线对康县水文站实测年径流量适线,用矩法初估参数,CV=0.44,CS/CV取值2.0。康县站不同保证率年径流量见表3,清河流域控制断面设计年径流量见表4。

表3 康县水文站不同保证率年径流量表 单位：亿m3

表4 铜钱河设计年径流量计算表

5 控制断面设计洪水计算

5.1 洪峰流量计算方法

5.1.1 非控制断面设计洪水

采用面积比拟法,以控制断面进行比拟,在一个控制单元内面积变化幅度较小。

5.1.2 水文图集经验公式法

经验公式法主要是采用《甘肃省水文图集》中的公式,基本含甘肃省所有的大小河流,针对不同区域建立洪水计算公式。该方法主要应用区域内无水文、降水资料,以及周边也无任何资料区域。该方法一般是作为参考,部分水利工程建设要求不是特别高的情况下使用。

式中：q为洪峰流量模数,m3/（s·km2）；F为集水面积,km2；C为不同频率洪峰流量模数对应的常数。

5.1.3 甘肃省小流域洪峰流量经验公式法

式中：Qp为洪峰流量,m3/s；KP为模比系数,由CV=1.8 F0.08,Cs=3.5CV,查P-III型曲线得出；Qm为多年平均最大洪峰流量,m3/s；F为流域面积,km2；H为多年平均时段最大雨量,mm,选取60 min雨量；J为洪道比降,%；L为河道流程长,km；f为流域形状系数（小数）, f=F/L2；K为综合系数,表示土壤、植被、水流容重及公式中没有考虑因素的综合影响,石山林区及黄土林区—黄土沟区过渡带取值0.14～0.22,黄土沟壑区0.22～0.27。

5.1.4 水文比拟法

将参证流域的水文资料移置到设计流域的一种方法[6]。公式如下：

5.2 设计洪水计算

根据《甘肃省省级河湖管理范围划定工作技术方案》中的相关要求,本次采用水文图集经验公式法、甘肃省小流域洪峰流量经验公式法、水科院推理公式法进行设计洪水计算。具体计算如下：

5.2.1 水文图集经验公式法

根据《甘肃省水文图集》,采用略阳以下嘉陵江右岸支流经验公式,不同频率1%、2%、5%、10%下的常数分别为13.3、11.0、8.52、6.57,n值为0.149。据此计算的控制断面不同频率设计洪峰流量见表5。

表5 经验公式法不同频率洪峰流量成果表

5.2.2 甘肃省小流域洪峰流量经验公式法

陇南属于高山峡谷区,植被茂盛,洪水调蓄作用较强,考虑到该流域所具有的特性及相关监测站点,公式采用过程中流域面积F、河道比降J、河道流程长L通过量算得到,流域形状系数f通过公式计算,采用甘肃省小流域经验公式法计算的控制断面洪峰流量见表6。

表6 小流域经验公式法同频率洪峰流量成果表

5.2.3 水科院推理公式法

（1）设计暴雨

设计暴雨可采用的资料有《甘肃省暴雨洪水图集》（1988）、《甘肃省暴雨特性研究》（2004）。考虑到《甘肃省暴雨特性研究》资料系列至2000年,本次设计暴雨依据该成果进行计算。

清河流域属陇南石山林区,用陇南石山林区产流期平均入渗率f进行产流计算,得tc=12 h,Ptc=188.7 mm, f=2.5 mm/h,将产流期各时段降水量减去时段入渗量得净雨过程,则总的净雨为156.6 mm。产流前的降雨之和为初损,即I0=7.9 mm,产流期以后的降水全部下渗。

（2）K235 断面设计百年一遇洪水计算

采用水科院推理公式法计算设计洪峰流量,联解如下一组方程。便可求得设计洪峰流量Qp,即Qm,及相应的流域汇流时间τ[7]。根据《甘肃省暴雨洪水图集》、《甘肃省暴雨特性研究》进行参数选取。水科院推理公式法计算设计洪峰流量是联解如下一组方程。便可求得设计洪峰流量Qp,即Qm,及相应的流域汇流时间τ。

从公式可知,洪峰流量Qm和汇流时间τ互为隐函数,而径流系数ψ对于全面汇流和部分汇流公式又不同。

6 结论

通过对三种方法计算结果进行比较分析,水文图集经验公式洪峰流量偏大,推理公式法与甘肃省小流域经验公式接近,经分析选用推理公式法计算结果。具体数值见表7。根据省防办组织审查的《康县历史洪水调查报告》,铜钱河洪调断面70 年一遇洪峰流量677 m3/s；安乐河洪调断面集水面积579 km2,50 年一遇洪峰流量1190 m3/s。本次K235 断面流域面积控制断面集水面积519.5 km2,100 年一遇设计洪峰流量1260 m3/s,50 年一遇设计洪峰流量1080 m3/s,据此,采用的洪峰流量成果应该是合理的。所以采用推理公式法计算的洪峰流量相对准确、合理。

表7 推理公式法洪峰流量成果表