朱 猛，王 強，劉興年

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065)

0 前 言

為推進生態(tài)文明建設(shè)、水域岸線管理，我國在全國建立河長制體系，河湖管理范圍劃界是全面推行河長制的重要任務(wù)之一。以四川省為例，全省有豐富的河流水域岸線資源，累計河岸線總長度超20 萬km，大多數(shù)屬于流域面積小、無資料且無規(guī)劃的山區(qū)河流，按照《四川省河湖管理范圍劃定操作指南》(下文統(tǒng)稱為指南)要求，此類河流按外緣控制線劃定河道管理范圍，外緣控制線為設(shè)計洪水位與岸邊的交界線。無資料地區(qū)小流域由于缺乏水位流量資料，只能借助其他方法來計算。

國內(nèi)外專家[1-4]在無資料地區(qū)中小流域暴雨洪水分析計算等方面作了大量研究，應(yīng)用較多的有經(jīng)驗公式法、推理公式法、瞬時單位線法以及水文模型法。瞬時單位線法適用于集水面積200～1 000 km2的流域，洪水資料缺失的小流域設(shè)計洪水計算一般不采用[5]。目前，推理公式法在無資料地區(qū)小流域暴雨洪水分析計算方面比較成熟，并得到廣泛應(yīng)用，是推求設(shè)計洪峰流量的主要方法之一，國外稱之為“合理法”，是一種半經(jīng)驗半理論的集總式模型[6]。對于我國，一般認為推理公式適用于中小型流域(流域面積小于500 km2)的設(shè)計洪峰流量計算[7]，且流域面積越小越符合其假設(shè)條件[8]?！端姽こ淘O(shè)計洪水計算規(guī)范》 (SL-2006)[9]規(guī)定，由暴雨資料計算設(shè)計洪水時，若流域面積小300 km2，則可采用推理公式法。林鴻敏[10]以開封縣部分小流域為例，用推理公式法與綜合單位線法分別進行小流域設(shè)計洪水計算，通過對比得出：推理公式法適用于流域面積大于10 km2而小于100 km2的小流域設(shè)計洪水計算，此范圍內(nèi)的計算誤差更小，進一步將推理公式法的理論適用范圍縮小。目前，推理公式法已應(yīng)用到山洪災(zāi)害防治、橋梁涵洞等多種類型的中小型水利工程。河道管理范圍劃界實質(zhì)上是設(shè)計頻率洪水在河道及其灘地的淹沒范圍，主要受洪峰流量控制，對洪水過程要求較低。其次，由于地區(qū)缺乏暴雨流量資料以及工程計算量較大，這些都符合小流域設(shè)計洪水的特征[11]，而推理公式法是小流域暴雨洪水分析計算的主要方法之一[12]。因此，可將推理公式法應(yīng)用于無資料地區(qū)小流域河道管理范圍劃界洪水分析計算。

本文以敖家河小流域為例，利用ArcGIS平臺提取流域特征值，用《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》[13]中的推理公式計算暴雨洪水，產(chǎn)匯流參數(shù)根據(jù)流域下墊面情況選取適當(dāng)?shù)墓接嬎?。利用設(shè)計洪峰流量結(jié)合實測的河道斷面確定設(shè)計洪水位，最終成功在河道航測地形圖中劃定河道管理范圍，對全國范圍的無資料地區(qū)小流域河道管理范圍的劃定有巨大的參考意義。

1 無資料地區(qū)小流域河道管理范圍劃界方法

1.1 河道管理范圍

河道管理范圍指河道兩岸外緣控制線之間的范圍，如圖1所示。水行政主管部門為了河流健康、行洪暢通、河勢穩(wěn)定、水利工程安全以及水域岸線保護開發(fā)而劃定的河道管理區(qū)域。按照劃定過程來看，河道管理范圍即為河流沿程河道在一定的防洪標(biāo)準(zhǔn)下，設(shè)計洪水位所能淹沒的最大河道區(qū)域，但河流一般流經(jīng)山區(qū)、農(nóng)田、城鎮(zhèn)，因此，在不同河段的劃界過程中往往依據(jù)不同的防洪標(biāo)準(zhǔn)以及采用不同的方法，在指南中有詳細說明。本文從整體上提出劃界過程中涉及的計算方法，實際工程中，若與行政管理區(qū)域或相關(guān)規(guī)劃相矛盾，可按照具體情況對相應(yīng)的河段作出調(diào)整。

圖1 河道管理范圍示意Fig.1 Schematic diagram of river management scope

無資料地區(qū)的小流域河流缺乏必要的水文、暴雨資料，其具體的劃界方法為：在河流沿程布置若干控制斷面，計算各個斷面設(shè)計洪峰流量，再根據(jù)實測大斷面資料與設(shè)計洪峰流量成果計算設(shè)計洪水位，按照指南要求，無資料地區(qū)小流域河流的設(shè)計洪峰流量及設(shè)計洪水位均按20 a一遇(P=5%)標(biāo)準(zhǔn)計算，連接各斷面洪水位與斷面的交點，即外緣控制線。對于無資料地區(qū)小流域河流，無法利用流量資料推求設(shè)計洪水，也無法考慮特殊洪水的影響，可采用推理公式法，由設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪峰流量。小流域河流由于其流域面積較小，認為整個流域水文特征(降雨、蒸發(fā)量等)差別不大，因此，由設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水時，河道沿程各斷面均采用同一設(shè)計暴雨成果。

1.2 推理公式法計算斷面洪峰流量

本次敖家河小流域暴雨洪水分析計算采用《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》中的推理公式法，公式如下：

(1)

當(dāng)全面匯流條件下τ≤tc時：

(2)

當(dāng)部分匯流條件下τ>tc時：

(3)

式中：Q為洪峰流量，m3/s；ψ為洪峰徑流系數(shù)；i為最大平均暴雨輕度，mm/h；S為暴雨雨力，mm/h；μ為產(chǎn)流參數(shù)；τ為流域匯流時間，h；τ0為當(dāng)ψ=1時的流域匯流時間，h；t0為產(chǎn)流歷時，h；n為暴雨公式指數(shù)；F為集水面積，km2；L為自出口斷面沿主河道至分水嶺的河流長度，km；0.278為單位換算系數(shù)；m為匯流參數(shù)；J為平均比降。

產(chǎn)流參數(shù)μ及匯流參數(shù)m由流域特征參數(shù)及流域所在地區(qū)綜合確定，可查詢《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》中四川省小流域產(chǎn)流參數(shù)μ與匯流參數(shù)m綜合成果表(如表1、表2所示)。

表1 四川省小流域產(chǎn)流參數(shù)μ綜合成果Tab.1 Sichuan Province small watershed production flow parameter μ comprehensive results table

表2 四川省小流域匯流參數(shù)m綜合成果Tab.2 Comprehensive results table of confluence parameters of small watersheds in Sichuan Province

表2中：

J=

式中：Z0、Z1、…、Zn為自出口斷面起，沿程各斷面出口點高程；l1、l2、…、ln為斷面間主槽長度；流域特征值F、L、J，一般人為在小比例尺地形圖上勾繪分水嶺后，用求積儀和分規(guī)量算，但自河流出口起，沿程布設(shè)斷面較多，手動勾繪量算工作量巨大，可先在國家地形信息網(wǎng)站上下載并篩選研究區(qū)域?qū)嶋H河網(wǎng)，再借助ArcGIS平臺按圖2操作步驟處理柵格為30 m的DEM和1∶2 000的河道帶狀地形圖，可準(zhǔn)確提取所需流域特征值及河網(wǎng)水系。

圖2 流域特征值提取流程Fig.2 Flow chart of watershed feature value extraction

1.3 設(shè)計洪水位計算

本次敖家河各斷面設(shè)計洪水位采用HEC-RAS一維穩(wěn)定流模型計算。此軟件操作簡單，建立項目后導(dǎo)入河道大斷面資料，利用1.2節(jié)得到的各斷面設(shè)計洪峰流量建立一維穩(wěn)定流模型，設(shè)置邊界條件，即可開始計算。主槽與邊灘糙率根據(jù)河道下墊面具體情況而選取，設(shè)計洪水位的計算標(biāo)準(zhǔn)按照該河段的防洪標(biāo)準(zhǔn)而定，或同時計算多個標(biāo)準(zhǔn)下的設(shè)計洪水位。其計算原理基于一維能量方程，逐斷面采用直接步進法推求。公式如下：

(4)

式中：Z1、Z2為下斷面和上斷面的水位高程；α1、α2為下斷面和上斷面的流速系數(shù)；v1、v2為下斷面和上斷面的流速；g為重力加速度；hf、hj為上下游斷面之間的沿程水頭損失和局部水頭損失。

2 工程實例——敖家河小流域河道管理范圍劃界

2.1 流域概況

敖家河小流域位于犍為縣北部，川西平原西南邊緣，地形地貌以丘陵為主，雨水充沛，年平均降雨量1 187 mm。敖家河為茫溪河右岸二級支流，流域集水面積為41.5 km2，河流總長14.5 km，上游坡度較大，下游相對平緩，平均比降為0.21%，平均河寬15 m，屬于季節(jié)性的山區(qū)河流。敖家河缺乏實測的水文資料，河道管理范圍按外緣控制線劃定。敖家河小流域地理位置及河網(wǎng)水系如圖3所示，其下游河段航拍影像如圖4所示。

圖3 敖家河河網(wǎng)水系及地理位置Fig.3 Water system and geographical location of the Aojia River network

圖4 敖家河下游河段航拍影像Fig.4 Aerial image of the lower reaches of the Aojia River

2.2 敖家河小流域特征值提取

基于柵格為30 m的DEM提取的敖家河D8河網(wǎng)與實際河網(wǎng)差別較大，尤其是下游較為平坦的河道差異更大，如圖5(a)所示，這會造成控制斷面位置及流域面積與實際情況相差較大，進而影響洪水分析計算。而下載的矢量河網(wǎng)無法進行分水嶺分析，因此要將實際河網(wǎng)轉(zhuǎn)為柵格河網(wǎng)，用河道燒錄算法[14]將其融入到敖家河小流域DEM中，如圖5(b)所示，再提取出與實際河網(wǎng)相似度高的河網(wǎng)，進而作分水嶺分析，提取出子流域，如圖5(c)所示。導(dǎo)出傾瀉點(出水口)矢量數(shù)據(jù)，再導(dǎo)入1∶2 000的河道航測地形圖中，可提取出水口高程值及河道主槽河長，特征值如表3所示。

2.3 敖家河小流域暴雨洪水計算

(1)設(shè)計暴雨計算。由于敖家河小流域缺乏實測暴雨系列資料，故設(shè)計暴雨參考《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》 最新的四川省最大1、6、24 h降雨量及Cv等值線圖，讀取流域所在位置各時段最大降雨量均值及Cv值。敖家河小流域位于犍為縣境內(nèi)，流域面積小，氣象氣候條件相似，各時段各頻率最大降雨量均值及Cv值及設(shè)計暴雨成果如表4所示。

圖5 敖家河子流域分割示意圖Fig.5 Schematic diagram of the division of the Aojia river sub-watershed

表3 敖家河小流域特征值統(tǒng)計Tab.3 Statistical table of eigenvalues of the Aojia River small watershed

(2)設(shè)計洪峰流量計算。敖家河小流域?qū)儆谂璧厍鹆陞^(qū)，根據(jù)其下墊面情況，選擇產(chǎn)流參數(shù)μ的計算公式為：μ=4.8F-0.19(Cv=0.18，Cs/Cv=3.5)。匯流參數(shù)m的計算公式為：m=0.4θ0.204，θ=1～30；m=0.092θ0.636，θ=30～300。以各集水區(qū)域出水口為控制斷面，用式(1)～式(3)分別計算各斷面P= 5%、10%的設(shè)計洪峰流量，計算結(jié)果如表5所示。

表4 設(shè)計暴雨計算成果Tab.4 Results of the storm data calculation of Qianwei Meteorological Station

(3)設(shè)計洪水位計算。利用所計算的敖家河各斷面設(shè)計洪峰流量成果，在HEC-RAS軟件中建立敖家河河道模型，采用一維穩(wěn)定流模型計算設(shè)計洪水位。根據(jù)敖家河河道下墊面情況，其主河槽糙率采用0.035，邊灘糙率采用0.05。計算結(jié)果如表5所示。

表5 設(shè)計洪水位計算成果Tab.5 Design flood level calculation results

將20 a一遇(P=5%)設(shè)計洪水位與河道岸邊的交界線作為外緣控制線，即可劃定河道管理范圍，如圖6所示。

3 結(jié)果與討論

無資料山區(qū)小流域河流以外緣控制線，即設(shè)計洪水位與岸邊的交線作為河道管理范圍的劃定依據(jù)。由于缺乏實測的水文資料，無法利用流量關(guān)系曲線確定洪水位，因此可利用推理公式法進行暴雨洪水計算，再計算洪水位。以敖家河小流域為例，查閱《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》 各時段最大降雨量均值及Cv值，由暴雨公式推求各時段各頻率設(shè)計暴雨，再根據(jù)設(shè)計暴雨成果，利用推理公式推求設(shè)計洪峰流量，產(chǎn)匯流參數(shù)μ、m由流域所在區(qū)域選擇對應(yīng)的公式計算；并采用Arc Hydro Tools的河道燒錄算法將實際河流融入流域DEM，再結(jié)合1∶2 000河道航測地形圖提取流域特征值；最后根據(jù)設(shè)計洪峰流量成果與實測大斷面資料，利用HEC-RAS一維穩(wěn)定流模型計算各斷面20 a一遇(P= 5%)洪水位，由此在航測地形圖中可確定外緣控制線，并根據(jù)實地考察結(jié)合實際情況(城鎮(zhèn)段按照已建設(shè)或規(guī)劃的防洪工程防洪標(biāo)準(zhǔn))作適當(dāng)?shù)男薷模罱K成功劃定敖家河小流域河道管理范圍。

圖6 敖家河部分河段外緣控制線示意圖Fig.6 Schematic diagram of the outer edge control line of some river sections of the Aojia River

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