柳河李营水文站“21·7”洪水分析

张伍民

（河北省承德水文勘测研究中心，河北 承德 067000）

滦河流域“21·7”洪水前期6月24日—7月8日连续降大到暴雨，柳河李营水文站持续涨水，于7月4、6、9日分别出现洪峰，洪峰流量分别为20.2、32.2、36.7 m3/s，涨水持续时间长，基流较大。7月12—13日，滦河流域普降大暴雨，最大1 h降雨量为清灰岭的46.2 mm，最大24 h降雨量为王坪石的233.6 mm，暴雨中心在王坪石、九拨子一带。滦河流域发生“21·7”洪水，李营水文站最大洪峰流量为1 360 m3/s。

1 概况

柳河发源在雾灵山脚下，属深山区，一般山峰高度在1 000～1 500 m，高出河谷500～1 000 m左右，最高峰是雾灵山，海拔高度2 118 m。柳河流入下游潘家口水库。柳河流域为太古代华北地区燕山沉降带的一部分，主要岩石为黑云紫苏斜长片麻岩、泥质白云岩，并有北东向构造体系破裂带。全流域土壤山地为棕色森林土，耕地多为沙壤土。流域内植被覆盖率较高约60%，水土流失不严重。

李营水文站位于柳河中游，是国家基本站，集水面积626 km2，属于深山区代表站。水文站断面以上共有3条较大支流，除主流外，另有北水泉和上窝铺西大川，河网密度约0.18 km/km2，流域形状系数为0.155。主河道长63.5 km，河道纵坡7.6‰，流域平均宽度9.9 km。水文站断面以上流域共有14处雨量站，站网密度为44.7 km2/站。流域多年平均降雨量为715.6 mm，主要分布在6—9月，占全年的80%以上。上游有兴隆水文站，集水面积96 km2，站网密度为313 km2/站。

由于上游未建大型水利工程，所以李营水文站断面以上河道基本为天然河道。

2 资料选用及计算

2.1 资料选用

本研究选用7月12日0时—18日8时的洪水过程，时段降雨量选用流域内代表性较高的单站降雨资料且与所选洪水过程对应，降雨量选用7月12日0时—13日15时的降雨量，前期降雨量选用6月24日—7月8日的累计降雨量。柳河“21·7”洪水相关降水量统计，详见表1。

表1 柳河“21·7”洪水相关降水量统计

2.2 次洪水降雨量计算

计算过程中，蒸发量忽略不计。

次洪水降雨计算如下：选择降雨时段为1 h，采用算术平均法计算流域逐时段面平均降雨量，得到本次洪水的面平均降雨量为154.4 mm。

2.3 次洪水产流量计算

次洪水整个过程施测如下：起涨流量施测号数45次，流量13.6 m3/s；洪峰流量施测号数47次，流量1 360 m3/s；落平流量施测号数56次，流量38.4 m3/s。共施测12次，测得完整洪水变化过程。

本次分析采用目估法确定退水分割点，根据起涨点、退水拐点及洪水过程线所包围的面积计算次洪水径流深。洪水总量计算公式为：

式中：Wp为洪水总量（m3）；Qi为瞬时流量（m3/s）；Δti为时段（s）。

经分析，确定柳河“21·7”洪水水位流量切线节点为（71 208∶13.6；71 608∶50.2）。切割后，该次洪水浄峰流量为1 340 m3/s。

柳河“21·7”洪水水位流量综合过程线及切线，如图1所示。

图1 柳河“7·13”洪水水位流量综合过程线及切线

选定时段各项水文特征值分别如下：切割前，次洪水总量6 283万m3，平均流量116 m3/s，径流模数18.5万m3/（s·km2），径流深度100.4 mm，降雨径流系数0.44；切割后，次洪水总量4 451万m3，平均流量128 m3/s，径流模数20.4万m3/（s·km2），地表径流深度71.1 mm，降雨径流系数0.31，地下径流深度29.3 mm。

2.4 流域面平均日降水量和前期影响雨量计算

2.4.1 流域面平均日降水量计算

流域面平均日降水量计算公式为：

式中：k为折减系数，一般取0.80～0.95，本研究取0.9；Pt为流域面平均日降水量（mm）；Pa.t为初始影响雨量（mm）。

采用式（2）计算流域面平均日降水量，并以Im控制。Im为流域前期影响雨量最大损失量，一般取80～120 mm，本研究取80 mm。

2.4.2 流域前期影响雨量计算

Pa.t+1计算始于产生次洪水降雨的前一时段，若流域前期干旱，初始影响雨量取Im/2值。经计算，次洪水前期影响雨量为251.9 mm。

2.5 产汇流计算

2.5.1 产流历时计算

采用图解法计算产流历时tc，如图2所示。

图2 产流历时tc图解法

先找出洪水起涨点对应的降雨时间，以此作为净雨开始时间，计算累计净雨，点绘时段累计净雨Pt-t图，如图2所示。在Pt轴上截取OA=Rs，过点A作曲线Pt-t的切线AB，切点C的横坐标tc即为产流历时，纵坐标Ptc则为产流历时内对应的降雨量。

2.5.2 稳定下渗率计算

采用前推法计算稳定下渗率fc，如图3所示。

图3 前推法计算稳定下渗率

如图3所示，绘制峰型对应的时段降雨与洪水过程线图P-t、Q-t，从降雨时段末起往前推计算累计降雨量（净雨），使其等于总产流量，即P计=Rs+Rg，图中C、D段之间的累计降雨所对应的时段为产流历时。采用稳定下渗率切割C、D之间的降雨柱状图，则阴影部分为下渗量。稳定下渗率计算公式为：

式中：fc为稳定下渗率（mm/s）；P计为计算净雨量（mm）；Rs为地表径流深（mm）；tc为产流历时（s）。

根据稳定下渗率在降雨柱状图上的切割位置，如果稳定下渗率值均小于时段降雨量，那么直接采用式（3）计算；如果稳定下渗率值大部分小于时段降雨量、个别时段大于时段降雨量，那么说明这几个时段不产流，计算时应从计算净雨量中减去不产流的时段降雨量，从产流历时中减去不产流的时段降雨量所对应的时间，再采用式（3）计算即可。

2.5.3 汇流类型判定

采用推理公式法推求汇流参数m，即：

式中：τ为汇流历时（h）；L为主河长（km）；J为流域坡度（%）；Qm为净峰流量（m3/s）。

判定汇流类型方式如下：当Rs/tc＞Qm/0.278/F，流域为部分汇流；当Rs/tc≤Qm/0.278/F，流域为全面汇流。其中，F为集水面积（km2）。

首先计算τ值，然后计算m值。当部分汇流时，直接采用τ=0.278Rs·F/Qm计算τ值，然后通过式（3）求得m值；当全面汇流时，τ=0.278Rst·F/Qm，因Rst未知，需试算或图解求τ值，然后通过式（4）求得m值。

采用图解法推求汇流历时τ，如图4所示。

图4 汇流历时图解法

根据求出的稳定下渗率切割降雨柱状图，计算不同历时的净雨Rst，从最大净雨往两边累加，先找出一个时段t1的最大Rst1，求出Rst1/t1，然后找出第二个时段t2的最大Rst2，求出Rst2/t2，依此类推。在此基础上，点绘Rst/t-t的关系线，在纵轴上截取OB=Qm/0.278/F，过B点作横轴的平行线BA与曲线Rst/t-t相交于点A，点A的横坐标即为所求的τ值。

经过分析计算，次洪水汇流历时tc为11.0 h，稳定下渗率fc为4.9 mm/h，Rs/tc为6.5，Qm/0.278/F为7.7，汇 流 历 时 为4.0 h，m为0.4。由 于Rs/tc＜Qm/0.278/F，所以判定本次洪水为全面汇流。

3 结语

“21·7”洪水产流和汇流时间均比较短，洪水陡长陡落，符合典型的山区河流洪水特性。本次洪水过程线线型近似于标准山区洪水特征过程线，尤其是退水线部分可作为李营水文站退水曲线计算的重要参考。