王 軍

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

朱家川河洪峰流量計(jì)算分析

王 軍

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

山西天然氣有限公司規(guī)劃建設(shè)的輸氣管線需穿越朱家川河，文中計(jì)算了穿越斷面以上流域的暴雨和產(chǎn)流，并通過瞬時(shí)單位線法計(jì)算了穿越斷面處的洪峰流量，計(jì)算結(jié)果與朱家川河水文站實(shí)測(cè)洪峰資料非常接近，證實(shí)了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

朱家川河；洪峰流量；綜合瞬時(shí)單位線法

1 基本情況

為充分利用保德縣豐富的煤層氣資源，山西天然氣有限公司規(guī)劃建設(shè)保德燃?xì)猓簩託猓犭娐?lián)產(chǎn)項(xiàng)目，將保德區(qū)塊的煤層氣通過管道輸送至熱電廠，管線起始于保德縣楊家灣鎮(zhèn)，最終到達(dá)故城村保德煤層氣熱電廠，沿線需地埋敷設(shè)穿越朱家川河。為分析管線對(duì)朱家川河防洪的影響以及朱家川河洪水對(duì)管線的影響，需計(jì)算管線穿越斷面處洪峰流量。

朱家川河是黃河的一級(jí)支流，發(fā)源于山西省神池縣東北部管涔山西麓的金土梁、達(dá)木河村一帶，經(jīng)五寨、河曲、保德諸縣入黃河。河長(zhǎng)167.6 km，流域面積2 903.3 km2，河道比降5.02‰。本項(xiàng)目輸氣管線穿越朱家川河斷面位于入黃口上游1.3 km處，斷面以上流域面積2 889 km2、河長(zhǎng)166.3 km。

2 洪峰流量計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

本次計(jì)算主要參照《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》（下文簡(jiǎn)稱“《手冊(cè)》”）[1]提供的方法，先計(jì)算流域范圍內(nèi)暴雨及產(chǎn)流，再使用瞬時(shí)單位線法計(jì)算洪峰流量。

2.2 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)保德燃?xì)猓簩託猓犭娐?lián)產(chǎn)項(xiàng)目申請(qǐng)報(bào)告，該工程等級(jí)為中型，根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-2014），設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇。

2.3 暴雨計(jì)算

2.3.1 設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量H2%計(jì)算

1）選點(diǎn)。根據(jù)地形、地類等情況，在流域范圍內(nèi)選取有代表性的四個(gè)定點(diǎn)，記為A、B、C、D，流域范圍及各定點(diǎn)位置見圖1。用泰森多邊形法，量算每個(gè)定點(diǎn)的控制面積占流域面積的權(quán)重系數(shù)分別為0.23、0.20、0.31、0.26。

圖1 流域范圍及各定點(diǎn)位置圖

2）查圖。在《手冊(cè)》上查取各定點(diǎn) tb=10min、60min、6 h、24 h、3 d的暴雨均值和變差系數(shù)CV，結(jié)果見表1。

2.3.2 設(shè)計(jì)面雨量H2%，A計(jì)算

2）計(jì)算點(diǎn)—面折減系數(shù)η2%（A，tb）。計(jì)算公式為：

式中：ηP（A，tb）為設(shè)計(jì)暴雨定點(diǎn)—定面系數(shù)；A為流域面積，km2；C、N 為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，通過《手冊(cè)》查取。計(jì)算結(jié)果見表2。

3）計(jì)算面雨量初值 H′2%，A。計(jì)算公式為：

式中：HP，A（tb）為面雨量值，mm；其余符號(hào)意義同上。計(jì)算結(jié)果見表2。

4）求解暴雨公式參數(shù)，計(jì)算設(shè)計(jì)面雨量H2%，A

根據(jù)各歷時(shí)設(shè)計(jì)面雨量初值H′2%，A，采用多元回歸求解參數(shù)S2%、λ、ns。求解公式（暴雨公式）如下：

式中：n、ns分別為雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中設(shè)計(jì)暴雨時(shí)—深關(guān)系曲線的坡度及t=1 h時(shí)的斜率；SP為設(shè)計(jì)雨力，即 1 h 設(shè)計(jì)雨量，mm/h；t為暴雨歷時(shí)，h；λ 為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

求解條件為：各標(biāo)準(zhǔn)歷時(shí)設(shè)計(jì)降雨量Hp（t）殘差相對(duì)值平方和最??；SP的誤差控制在±5%以內(nèi)；0≤λ＜0.12。求解結(jié)果見表2。再用上述公式計(jì)算設(shè)計(jì)面雨量 H2%，A，計(jì)算結(jié)果見表 2。

表1 設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量計(jì)算表

表2 設(shè)計(jì)面雨量計(jì)算表

2.3.3 降雨時(shí)程分配

該流域位于山西省水文分區(qū)西區(qū)，參照《手冊(cè)》中的設(shè)計(jì)雨型時(shí)序分配順序，根據(jù)暴雨公式對(duì)本流域的降雨進(jìn)行時(shí)程分配。分配結(jié)果見表3。

2.3.4 計(jì)算主雨歷時(shí)和主雨雨量

主雨日主雨歷時(shí)計(jì)算公式為：

主雨日主雨面雨量計(jì)算公式為：

式中：tz為主雨歷時(shí)，h；Hp（tz） 為主雨面雨量，mm；其余符號(hào)意義同上。

計(jì)算得，主雨日主雨歷時(shí)8.52 h，主雨面雨量60.80 mm。

2.4 產(chǎn)流計(jì)算

1）計(jì)算風(fēng)干流域包氣帶的吸收率Sr，A及飽和流域包氣帶的導(dǎo)水率KS，A。根據(jù)工程所在流域下墊面產(chǎn)流地類條件，查《手冊(cè)》得各地類的Sr、KS。按照各地類面積權(quán)重加權(quán)平均得 Sr，A=22.4、KS，A=1.6。

2）計(jì)算流域持水度B0，2%。計(jì)算流域所在分區(qū)為西區(qū)，主雨日居中，根據(jù)《手冊(cè)》取主雨日B0，2%=0.58。

3）計(jì)算流域可能損失FA（tz）。計(jì)算公式為：

計(jì)算得 FA（tz）=54.73 mm。

4）計(jì)算凈雨深R2%。采用雙曲正切模型計(jì)算凈雨深。計(jì)算公式為：

計(jì)算得R2%=16.78 mm。

5）計(jì)算產(chǎn)流歷時(shí) tc。用數(shù)值法計(jì)算產(chǎn)流歷時(shí)tc。計(jì)算公式為：

將暴雨三參數(shù)S2%、λ、ns及R2%代入上式中，試算求解得tc=1.52 h。

6）計(jì)算損失率μ。計(jì)算公式為：

計(jì)算得μ=8.99 mm。

7）凈雨過程分配。由下式計(jì)算逐時(shí)降雨深，然后按照《手冊(cè)》中的分配次序依次放入相應(yīng)時(shí)段，直至tc時(shí)段內(nèi)的R2%分配完畢。

式中：Δhp為設(shè)計(jì)時(shí)段凈雨深，mm；j為時(shí)雨型“模板”中序位編號(hào)；tj-1為j時(shí)段的開始時(shí)刻。

主雨日凈雨過程計(jì)算分配結(jié)果見表3。

表3 流域主雨日降雨及凈雨時(shí)程分配表

2.5 匯流計(jì)算

本次匯流計(jì)算采用綜合瞬時(shí)單位線法。

1）確定流域匯流地類。參照《手冊(cè)》，結(jié)合野外實(shí)地查勘，確定流域各匯流地類面積。

2）計(jì)算參數(shù) n、mτ，1。參照《手冊(cè)》，取各地類匯流參數(shù) C1、C2，并加權(quán)平均求得復(fù)合地類參數(shù) C1，A=1.028、C2，A=0.736，取經(jīng)驗(yàn)性指數(shù) α=0.397、β1=0.047、β2=0.190。計(jì)算得 n=1.39、mτ，1=4.53。

圖2 P=2%設(shè)計(jì)洪水過程線

由洪水過程線知，洪峰流量Q=2 596 m3/s。

3 計(jì)算結(jié)果分析

朱家川河橋頭村設(shè)有橋頭水文站，位于本工程穿越斷面上游13 km處，控制流域面積2 854 km2，有1956-2008年連續(xù)53年的洪峰流量觀測(cè)資料。根據(jù)《手冊(cè)》對(duì)觀測(cè)資料的分析，50年一遇洪峰流量為2 529 m3/s。

參證橋頭水文站實(shí)測(cè)資料，采用比擬法計(jì)算得設(shè)計(jì)流域50年一遇洪峰流量為2 540 m3/s。與上述綜合瞬時(shí)單位線法計(jì)算結(jié)果僅相差2.18%，所以認(rèn)為瞬時(shí)單位線法計(jì)算結(jié)果與水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果是非常接近的，是比較準(zhǔn)確的。

4 結(jié)論

在河道管理范圍內(nèi)新建、改建、擴(kuò)建的建設(shè)項(xiàng)目，需評(píng)價(jià)其對(duì)河道防洪的影響，這就需要計(jì)算設(shè)計(jì)流域的洪峰流量，如在設(shè)計(jì)流域內(nèi)有實(shí)測(cè)洪峰資料，則可以通過頻率分析確定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪峰流量[2]。然而，實(shí)際工作中很多河流并沒有實(shí)測(cè)資料，常用洪峰流量計(jì)算方法有綜合瞬時(shí)單位線法、推理公式法、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法和水文比擬法等。本文通過暴雨、產(chǎn)流計(jì)算，再采用綜合瞬時(shí)單位線法計(jì)算獲得朱家川河洪峰流量，計(jì)算結(jié)果與水文站實(shí)測(cè)資料非常接近，為同類型項(xiàng)目洪峰流量的計(jì)算提供了參考。

［1］山西省水利廳.山西省水文計(jì)算手冊(cè)［M］.鄭州:黃河水利出版社，2011.

［2］董 霞.高速公路跨瀟河橋梁防洪影響的防治措施［J］.山西水利科技，2015（2）:18-21.

Flood Peak Discharge Calculation and Analysis of the Zhujiachuan River

WANG Jun

The gas transmission line planed and constructed by Shanxi Natural Gas Limited Company needs to underrun the Zhujiachuan River.The rainstorm and runoff yield of the drainage basin above the underrunning section were calculated in this paper.Instantaneous unit hydrograph method was used to calculate the flood peak discharge on the underrunning section.The results are extremely close to the observed flood peak data of the gauging station，and justify the accuracy of the calculation results.

the Zhujiachuan River；flood peak discharge；synthetic instantaneous unit hydrograph method

TV122.5

B

2017-03-31

2017-04-27

王 軍（1988-），男，2015年碩士研究生畢業(yè)于太原理工大學(xué)水利工程專業(yè)，助理工程師，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)的研究與節(jié)水工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)工作。

1006-8139（2017）03-066-03