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泗水縣小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法分析

2018-12-29 02:06李祥立趙長(zhǎng)河
山東水利 2018年11期
關(guān)鍵詞:泗水縣時(shí)段暴雨

劉 馳,李祥立,趙長(zhǎng)河

(濟(jì)寧市水利局,山東 濟(jì)寧 272100)

尚家莊小流域位于泗水縣東南部山區(qū),濟(jì)河上游,泗張鎮(zhèn)尚家莊,斷面以上控制流域面積約61.99 km2,附近一個(gè)雨量站——青界嶺站,具有長(zhǎng)系列降雨實(shí)測(cè)資料,上游有一個(gè)?。?)型水庫(kù)——青界水庫(kù),青界水庫(kù)的控制流域面積14.04 km2。盧溝小流域位于泗水縣西南部山區(qū),圣水峪鎮(zhèn)盧溝村,斷面以上控制流域面積約2.78 km2,無(wú)實(shí)測(cè)降雨資料。兩個(gè)小流域坡度較大,屬于山洪多發(fā)區(qū),在泗水縣具有較高的典型性。

1 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法

1.1 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算方法

1)有實(shí)測(cè)降雨資料的地區(qū),可以直接選取以每年指定統(tǒng)計(jì)時(shí)段的最大面暴雨量,進(jìn)行頻率計(jì)算求得設(shè)計(jì)面雨量。面雨量統(tǒng)計(jì)參數(shù)的估計(jì)一般采用適線(xiàn)法,設(shè)計(jì)洪水規(guī)范規(guī)定,其經(jīng)驗(yàn)頻率公式采用期望值公式,線(xiàn)型采用皮爾遜III型曲線(xiàn)。統(tǒng)計(jì)參數(shù)可用矩法等方法初估,用適線(xiàn)法調(diào)整確定。推求出設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)(均值、變差系數(shù)Cv、偏態(tài)系數(shù)Cs)后,即可計(jì)算出不同頻率的設(shè)計(jì)暴雨量和時(shí)段雨量。

經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算:對(duì)于實(shí)測(cè)降雨,在n項(xiàng)連續(xù)降雨系列內(nèi),按大小順序排位第m項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率Pm可按以下數(shù)學(xué)期望公式計(jì)算:

頻率適線(xiàn)方法是先將歷史實(shí)測(cè)暴雨系列按上述經(jīng)驗(yàn)頻率公式計(jì)算Pm值后,點(diǎn)繪在機(jī)率格紙上,其縱坐標(biāo)為均勻分格的降雨量,橫坐標(biāo)與頻率值的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布分位數(shù)有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布分位數(shù)在P=50%處為零,而海森機(jī)率格紙?jiān)赑=0.01%時(shí)的橫坐標(biāo)值為零。

根據(jù)矩法初估的統(tǒng)計(jì)參數(shù)均值、變差系數(shù)Cv及偏態(tài)系數(shù)Cs(山東地區(qū)暴雨系列的偏態(tài)系數(shù)Cs通常取值為3.5Cv),求得對(duì)應(yīng)于各頻率的降雨量Hp后,點(diǎn)繪在頻率紙上連成理論頻率曲線(xiàn),使理論曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)相配,在適線(xiàn)時(shí)可調(diào)整計(jì)算的變差系數(shù)Cv,直到理論曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)配合最佳為止。調(diào)整后的均值、Cv、Cs值即為所求理論頻率曲線(xiàn)的參數(shù)。

2)在無(wú)實(shí)測(cè)降雨資料地區(qū),可通過(guò)查《山東省水文圖集》(1975年)獲得有關(guān)設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)。由多年平均年最大24 h降水量等值線(xiàn)圖查得暴雨參數(shù)H24,由年最大24 h降水量變差系數(shù)(Cv)等值線(xiàn)圖查得暴雨參數(shù)Cv,同樣獲得設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)n1、n2等,進(jìn)而計(jì)算出不同頻率的設(shè)計(jì)暴雨量和時(shí)段雨量。

1.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法

選擇典型計(jì)算單元,選用推理公式法、瞬時(shí)單位線(xiàn)法和經(jīng)驗(yàn)公式法分別進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。根據(jù)山東省水文圖集,前期影響雨量采用一般情況下的前期影響雨量,即Pa=40 mm。對(duì)于上游有水庫(kù)的計(jì)算單元,考慮水庫(kù)的調(diào)蓄作用。

1)推理公式法。根據(jù)《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》(SL44-2006),基本公式:

式中:Qm為洪峰流量,m3/s;h為在全面產(chǎn)流時(shí),代表相應(yīng)于τ時(shí)段的最大凈雨;在部分匯流時(shí),代表單一洪峰的凈雨,mm,可通過(guò)降雨量和前期影響雨量的和,查降雨——徑流相關(guān)圖得到;F為流域面積,km2;τ為流域匯流歷時(shí),h;m為匯流參數(shù);L為沿主河從出口斷面至分水嶺的最長(zhǎng)距離,km;J為沿流程L的平均比降(以小數(shù)計(jì))。

2)瞬時(shí)單位線(xiàn)法。瞬時(shí)單位線(xiàn)的基本假設(shè)與一般時(shí)段單位線(xiàn)基本相同,不同的僅是他的凈雨單位時(shí)段是極小的、瞬時(shí)的。瞬時(shí)單位線(xiàn)的推導(dǎo)理論雖較復(fù)雜,但其分析工作較簡(jiǎn)便,而且分析的成果只有兩個(gè)參數(shù),便于地區(qū)綜合,借以根據(jù)暴雨推求無(wú)資料地區(qū)洪水。根據(jù)《山東省水文圖集》(1975年),全省山丘地區(qū)瞬時(shí)單位線(xiàn)參數(shù)Mi的公式為:

式中:0.196為一般山丘地區(qū)的系數(shù),地區(qū)如表2;F為流域面積,km2;J為河道干流平均坡度;R為凈雨深,mm,取各時(shí)段凈雨深;tc為凈雨歷時(shí),h,取凈雨時(shí)段總歷時(shí)。

計(jì)算過(guò)程:一是以產(chǎn)流模型計(jì)算成果作為輸入,計(jì)算各時(shí)段凈雨對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)單位線(xiàn)參數(shù)Mi;二是由瞬時(shí)單位線(xiàn)參數(shù)Mi查出計(jì)算時(shí)段和該計(jì)算時(shí)段對(duì)應(yīng)的時(shí)段單位線(xiàn),各時(shí)段流量乘以面積比F/100即為本流域時(shí)段單位線(xiàn);三是將各時(shí)段的凈雨乘上單位線(xiàn)得到該時(shí)段對(duì)應(yīng)的流量過(guò)程數(shù)據(jù),逐時(shí)段計(jì)算直到降雨結(jié)束;四是將各時(shí)段凈雨計(jì)算的流量過(guò)程數(shù)據(jù),錯(cuò)時(shí)段疊加,加基流得到最終的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程數(shù)據(jù)。

3)經(jīng)驗(yàn)公式法。根據(jù)《山東省水文圖集》(1975年)提供的洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式推求相應(yīng)的洪峰流量。計(jì)算公式為(山丘地區(qū)、平原面積小于70%的山丘平原混合區(qū)):

式中:0.680為一般山丘地區(qū)的系數(shù),F(xiàn)為流域面積,km2;Rt為凈雨深,mm;Ht為推求洪峰流量的設(shè)計(jì)流域平均降水量,mm;J為河道比降。

式中:H24為設(shè)計(jì)頻率下年最大24 h降水量,mm;n2為短歷時(shí)暴雨指數(shù)。

4)水庫(kù)的調(diào)蓄作用。如果防災(zāi)對(duì)象上游有水庫(kù),則考慮水庫(kù)的調(diào)蓄功能。當(dāng)發(fā)生降雨時(shí),來(lái)水流量等于下泄流量,若超過(guò)水庫(kù)最大下泄流量,則按最大下泄流量處理,下泄不掉的洪水視為水庫(kù)攔蓄洪水。

2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)暴雨

根據(jù)上述設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算方法,尚家莊小流域和盧溝小流域設(shè)計(jì)暴雨成果見(jiàn)表1。

2.2 設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)上述設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法,分別進(jìn)行尚家莊小流域和盧溝小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算,3種方法的計(jì)算洪峰流量成果對(duì)比見(jiàn)表2。

3 合理性分析

擬采用曼寧公式法計(jì)算兩個(gè)小流域設(shè)計(jì)出口斷面各設(shè)計(jì)流量相應(yīng)的洪水位,與實(shí)測(cè)歷史洪痕水位進(jìn)行對(duì)照,選定成果最接近的方法。

式中:Q為流量,m3/s;A為過(guò)流斷面面積,m3;V 為過(guò)流斷面平均流速,m/s;n 為糙率;R 為水力半徑,m;J為水面比降。

經(jīng)計(jì)算,兩個(gè)小流域設(shè)計(jì)出口斷面各設(shè)計(jì)流量相應(yīng)的洪水位,與實(shí)測(cè)歷史洪痕水位進(jìn)行對(duì)照見(jiàn)表3~表4。

表1 各頻率設(shè)計(jì)暴雨(面雨量)成果表 mm

表2 三種方法的計(jì)算成果表 m3/s

表3 尚家莊流域百年一遇設(shè)計(jì)洪峰水位對(duì)照表 m

表4 盧溝流域百年一遇設(shè)計(jì)洪峰水位對(duì)照表m

由表3和表4可以看出,瞬時(shí)單位線(xiàn)法和經(jīng)驗(yàn)公式法比推理公式法計(jì)算出來(lái)的結(jié)果比實(shí)測(cè)洪痕高程大很多,推理公式法計(jì)算成果與實(shí)測(cè)洪痕高程較為接近。由于瞬時(shí)單位線(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)公式是1975年版的《山東省水文圖集》根據(jù)20世紀(jì)50~60年代的水文資料整理出來(lái)的,年代較為久遠(yuǎn),序列長(zhǎng)度較短,數(shù)值偏大。因此選用推理公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水較為合理。

4 結(jié)語(yǔ)

以泗水縣尚家莊和盧溝兩個(gè)小流域?yàn)榈湫托×饔颍謩e用推理公式法、瞬時(shí)單位線(xiàn)法和經(jīng)驗(yàn)公式法3種方法,進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算,將推算的洪峰水位與實(shí)測(cè)洪痕高程對(duì)照,結(jié)果顯示推理公式法對(duì)泗水縣小流域設(shè)計(jì)洪水適用性最好。

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