山区小流域设计洪水计算方法探讨

陈端丹 黄兴阶 吴铁钧

湖北省十堰市水文水资源勘测局 湖北 十堰 442000

引言

近年来，十堰市经济高速发展，城区附近的工业园区日益增多，受山区地形和投资条件的限制，公路往往不得不穿越一些河道，因此在道路规划设计时，必须对桥梁的防洪能力进行分析评估，而各频率洪水计算又是重中之重,本文以十堰恒阳混凝土工程有限公司交通桥洪水计算为例，运用水文比拟法和瞬时单位线法两种方法进行计算，对所得结果进行分析比较，可为类似项目提供借鉴参考。

1 工程概况

十堰恒阳混凝土工程有限公司位于十堰市郧阳区柳陂镇沙洲村，属于郧阳区招商引资企业。厂区占地面积30亩，受当地地形限制，该公司进场道路跨越一条名为沙洲河的山区中小河流，跨河建有小型交通桥，交通桥跨度为6.8m，宽7.5m，高5.1m，桥梁断面河底平均高程171.40m，为增大过流能力，右岸桥台底部设有2根直径1.2m的涵管。

2 水文气象

沙洲河为汉江中游上段右岸支流，流域属于亚热带季风气候区，多年平均气温15℃左右，无霜期200天以上，多年平均降水量约820mm。沙洲河流域属于山溪性河流，从水文气象成因分析和降水量与暴雨、径流与洪水的统计分析结果表明，由于汉江流域的地理位置、地形地貌影响以及天气系统的作用，汛期雨洪大小在时程分布上呈现“三峰两谷”的形态，即春汛、夏汛、秋汛三个高峰值被两个低值区分隔。

3 参证站的选择

由于沙洲河流域唯一雨量站兰家岗站仅有5年系列资料，故本次设计暴雨洪水分析计算采用邻近流域水文站点及相邻雨量站点历年降水量资料系列。沙洲河流域同一气象区域的邻近流域马家河上曾建有小川水文站，邻近官山河流域上建有孤山水文站。

表1 沙洲河邻近流域水文站情况表

表2 各雨量站不同系列降水量统计表

孤山站实测径流系列最长，但是流域面积跟沙洲河流域面积相差较大，小川站与本流域面积相近，故本次选择小川水文站作为本次设计参证站。

4 设计暴雨洪水

桥梁断面以上设计暴雨洪水采用水文比拟法和瞬时单位线法两种方法进行分析计算，对比选择较合理的结果[1]。

4.1 水文比拟法

用小川水文站1973～1994年共22年实测洪水资料进行频率分析，均值=43.2m3/s、Cv=1.81、Cs/Cv=3.5，并对1975年（频率为1%）实测最大洪峰作特大值处理，资料系列得到了展延，增加了资料系列的代表性。将小川站设计洪水成果按面积比推算至本项目区断面，计算成果见表3

表3 桥梁断面设计洪水成果表（水文比拟法）

4.2 瞬时单位线法

设计暴雨洪水采用暴雨途径（瞬时单位线法）计算。

4.2.1 流域地理参数。沙洲河流域位于湖北省十堰市，其流域地理参数为：桥梁断面以上流域面积25.77km2，主河道长12.91km，主河道加权平均比降14.1255‰。

4.2.2 设计暴雨

4.2.2.1 点雨量。将邻近流域各雨量参证站实测短历时暴雨系列资料，进行频率计算，用P-Ⅲ型频率曲线适线，用适线法确定统计参数；根据所在流域中心位置查2008版《湖北省暴雨等值线图集》，查算统计参数值。由以上两种方法，得出设计点雨量的均值和变差系数Cv，见表4：

表4 暴雨参数分析成果表

经过对以上数据综合分析比较，小川站距离本工程最近，最适合作为参证站，且小川站与图集的Cv值是递增的，规律一致；孤山站所在流域面积较大，不足以代表本项目所在流域降雨特性。查算等值线图统计参数，1小时暴雨量均值与24小时暴雨量均值均高于小川站，偏安全计，本次计算选取查算等值线图值为恒阳商砼以上流域设计暴雨。

4.2.2.2 面雨量。沙洲河流域面积在21～100km2之间，且典型雨图轴向与流域轴向夹角不大于30°，不需作形状改正，采用点面系数法计算各时段面雨量，点面系数α拟采用《湖北省暴雨径流查算图表》查得点面系数，得到桥梁断面不同历时的面雨量H1h面、H6h面、H24h面。

4.2.3 设计净雨。设计净雨按扣除初损和稳损的方法推求。设计雨型采用《湖北省暴雨径流查算图表》（以下简称《图表》）中推荐的雨型，计算时段△t=1h，tc=12h。

按设计雨型排列后的面雨量过程顺次扣除初损22.5mm后再扣除稳损，即可求得设计净雨过程，其中稳损按下式计算[2]：

式中：

R24—24 h总径流深（mm），R24=H24面—22.5。

4.2.4 汇流计算

4.2.4.1 地面径流。地表径流按瞬时单位线法进行产汇流计算，该流域位于水文分区第Ⅸ，其瞬时单位线参数按公式计算：

m1=1.64F0.231L0.131J-0.08

n=0.529F0.25J0.20

K＝mli/n

式中：F—流域面积，以km2计

L—主河道长，以km计

J—主河道比降，以‰计

对超过50年一遇的洪水应考虑参数的非线性改正，参数m1的非线性改正按下面公式计算：

式中：

ip—造峰雨强，ip＝HtR/tR，造峰雨历时tR=0.425F0.52

λ1，λ—系数，可由《查算图表》查表计算：K＝m1i/n

由瞬时单位线参数n、k和前面求出的设计净雨过程可求得地表径流过程。

4.2.4.2 地下径流

地下径流过程计算公式：

T—地面径流过程底宽。

4.2.5 设计洪水过程。将地表径流和地下径流过程叠加即得到12h雨量瞬时单位线设计洪水过程。

5 设计洪水成果比较与采用

将水文比拟法和瞬时单位线法途径计算的恒阳商砼交通桥处设计洪水成果对比见表5。

表5 不同计算方法设计洪水值比较表 单位：m3/s

由表5可以看出，在P=1%～5%时，两种方法推求的交通桥处设计洪水成果基本接近，而P=10%～20%时，两种方法计算结果相差较大，根据桥梁断面实际勘测资料显示，瞬时单位线法计算结果与实际情况吻合较好，故本次计算采用瞬时单位线法计算结果。

6 结束语

综上，山区小流域河流洪水特征显著，不仅集水面积小，而且产流汇流时间短，坡地汇流起主要作用，受河道比降、糙率、下垫面情况影响大。在实际计算时，水文比拟法考虑了流域地形和面积的相似性，而对于各种复杂的水文要素考虑有所欠缺，而瞬时单位线法综合了降水、比降、糙率、下垫面条件、产汇流等因素进行计算，结果与实际观测情况较吻合，鉴于此，笔者认为瞬时单位线法较水文比拟法更适合山区小流域洪水计算。