河道治理防洪工程设计洪水计算研究

2019-10-22 版权声明 举报文章

河道治理防洪工程设计洪水计算研究

摘要:针对内蒙古某河道地质岩溶十分发育、两岸土坡垮塌淤积河道影响行洪等问题,为准确掌握防洪加固工程设计断面水位流量关系,便于采取合理防洪加堤加固措施提高河道的防洪标准,确保河道行洪安全。在规划设计阶段,根据防洪治理河道的暴雨洪水特性,结合参证站57年逐月降雨资料和历史洪水数据,对治理河段河道洪水进行水文比拟推算。分析结果表明:设计洪水计算值与历史洪水记录值相一致,计算成果比较合理。

关键词:参证站;水文比拟法;设计洪水;防洪治理

内蒙古某河流防洪工程,包括I河段和II河段治理两部分。工程区岩性以灰岩、白云岩为主,岩溶较为发育,主要岩溶形态有洼地、落水洞、溶沟、溶槽等,属强至中等岩溶含水地层。由于岩溶地质条件的复杂多样,构造节理裂隙、岩溶十分发育,对洪水的影响较大。另外,河床两岸大多为土坡,经常垮塌淤积河道影响行洪,目前河道均不能满足10年一遇洪水标准,达不到国家规定的设防要求。为了为工程规划设计、施工建设和运营管理等提供决策依据,通过现场详细踏勘开展全面水文地质调查,对设计洪水相关方面的规律性进行全面分析计算,以获得适合流域条件和工程特性的设计洪水计算成果。

1流域水文地质概况

河流全长179km,流域集水面积3246km2。治理河段由两段组成,其中I段治理起始断面集水面积232km2,主河道长2810km,主河道坡降3109j;治理终点断面集水面积283km2,主河道长3015km,主河道坡降2194j,治理长度为2517m。II段治理起始断面集水面积344km2,主河道长4119km,主河道坡降2129j;治理终点断面集水面积362km2,主河道长4417km,主河道坡降2114j,治理长度为2820m。两个治理河段区间均有支流汇入,其中I河段支流位于治理河段中部,距治理起始断面1129km处,集水面积4812km2,主河道长1511km,坡降5187j;II段支流(1#支流)距治理起始断面1143km,集水面积1614km2,主河道长9150km,坡降1010j。治理河段上游已建水利工程虽多,但规模小对洪水影响甚小,设计暂不考虑其影响。工程区全区山地区面积2511%,丘陵区面积4712%,山间平坝区2717%。地势总体为西高东低,北高南低,最高点海拔高程1576m,最低点海拔高程1128m,平均海拔高程1296m。全区水土流失面积占国土面积的22194%,石漠化面积占国土面积的30168%。

2参证站选取及资料评价

治理河段流域内有PZ水文站、QYQ水文站,邻近流域有AS气象站、PB气象站。PZ水文站1969年改为水位站。只观测有水位资料,通过对其水位观测资料进行统计分析,结合实测流量关系进行插补延长,即可得到PZ水文站历年洪峰流量,PZ水文站位于治理河段I段和II段之间,其洪水特性关系能充分反映治理河段的洪水情况。I段治理终点断面为283km2,是PZ水文站集水面积(322km2)的0188倍,II段治理终点断面集水面积为362km2,是PZ水文站集水面积的1112倍,集水面积相差较小,且PZ水文站观测有1958年至今的水位资料,资料系列完整,设计选择PZ水文站为参证站。AS气象站属国家气象基本观测站,距离治理河段不是很远约21km,气候条件相似,且观测资料系列较长(有1954年至今的资料),且该站各年资料均经省气象局整编刊印,资料系列长,精度高[1]。设计采用AS气象站为参证站,收集1954~2010年(水文年)共57年逐月降雨资料。不同系列长度资料统计分析成果,见表1.表1可知,AS气象站不同长度系列的年降雨量均值在129716~133013mm之间,变差系数在0117~0118之间,不同长度的年降雨量均值及年降雨量变差系数均比较稳定,年降雨量均值变化幅度为-210%~+014%,变差系数变化幅度为5.6%,故该站资料代表性较好。

3设计暴雨

3.1暴雨洪水特性流域属降雨高值区,夏季易出现特大暴雨[2]。据AS气象站1954年-2011年共58年暴雨资料分析,一般5月进入雨季,10月结束,年最大一日暴雨多发生在6月-8月,占75%左右,历年暴雨日数平均318d,暴雨历时1~2d。3.2设计暴雨统计AS气象站1954年-2011年最大一日降雨,并采用P2Ó曲线进行适线,得最大一日暴雨均值为10019mm,Cv=0136,Cs=315Cv;将最大一日暴雨转换成最大24h暴雨,则最大24h暴雨统计参数为:H24=113mm,Cv=0136,Cs=315Cv。计算得设计流域年最大24h点暴雨均值在110mm左右,变差系数在015左右。因此,设计直接结合AS气象站的暴雨统计参数,取流域最大24h降水量均值H24=110mm,结合暴雨统计CV等值线图取CV=0150,CS/CV=315,计算得不同频率设计暴雨成果如表2所示。

4设计洪水计算

I段支流位于左岸,积水面积为4812km2,占I段治理终点断面集水面积的1710%,从安全角度考虑,I段河道治理起点至支流汇合口处按支流汇合口以上集水面积计算(即以234km2进行控制),汇合口以下按治理终点断面进行控制(即以283km2进行控制)。II段1#支流位于右岸,集水面积1614km2,占II段治理终点断面集水面积的4153%,所占比例非常小(不足5%),因此,设计不考虑其影响。II段治理起始集水面积344km2,是治理终点集水面积的95%(即治理河段区间集水面积为治理终点断面集水面积的5%),因此,计算洪峰流量以治理起点和治理终点洪峰流量进行内插计算[3]。PZ水文站位于两段治理河段之间,集水面积与治理河段相差不大,能较好反应治理河段的洪水情况,设计采用PZ水文站资料进行计算,并采用/雨洪法0进行对比分析。4.1水文比拟法通过对PZ水文站已有水位流量关系进行分析(1969年以后资料根据已有资料进行内插),得到1958年-1979年各年最大洪峰流量成果,并对其采用P2Ó曲线进行试线[4],成果结果:水文站洪峰流量均值为202m3/s,CV=111,CS/CV=4。I段治理断面集水面积为283km2,比PZ水文站集水面积(322km2)稍小,I段采用CV=112,CS/CV=4;II段治理终点断面集水面积362km2,比PZ水文站集水面积(322km2)大,II段采用CV=110,CS/CV=4。PZ水文站不同频率洪峰流量结果,如表3所示。4.2雨洪法随设计断面的流域面积和流域几何特征值H(H=L/J1/3#F1/4)的大小不同,洪峰流量计算的应用公式有所不同[5]。I段,治理河段末端流域面积F=283km2<300km2,H=5119>30;II段,治理河段末端流域面积300km2<F=362km2,H=7916>30;治理河段的支流河段,I段支流集水面积4812km2,H=3118>30,II段1号支流集水面积1614km2,H=2119<30,均属小流域。将治理河段各参数,代入5暴雨洪水计算实用手册6对应推荐应用公式计算洪峰流量,得到不同频率下的设计洪水成果,见表4。洪水成果合理性分析:通过比较水文比拟法计算成果和雨洪法洪水成果不难看出,I段洪水计算成果水文比拟法比雨洪法稍小,偏小幅度在418%~32%,随着频率的增大,偏大结果减小。II段洪水计算成果在p=5%时两种方法计算结果基本相当,随着频率的增大,雨洪法计算各频率洪水比之水文比拟法较大。PZ水文站集水面积为322km2,与治理终点集水面积的差异均不大。从流域水系整体上看,PZ水文站位于I段治理河段下游611km,位于II段治理河段上游513km,考虑面积、下垫面条件、距离等条件相似,设计雨洪法的成果仅作参考,以水文比拟法计算成果为准。结合历史洪水调查成果,以II段治理终点断面为例进行分析,历史洪水调查在II段治理终点断面(控制断面)调查到了1991、2002年和2008年的历史洪水水位,其中1991年历史最大洪水洪峰流量为978m3/s。水文比拟法计算2%频率下的洪峰流量为939m3/s,历史洪水洪峰流量比雨洪法计算成果大4115%;2002年历史洪水洪峰流量为577m3/s,水文比拟法计算519%频率下的洪峰流量为592m3/s,历史洪水洪峰流量比雨洪法计算成果偏小2160%;2008年历史洪水洪峰流量为727m3/s,水文比拟法计算4%频率下的洪峰流量为712m3/s,两者相差2106%。两者基本一致,因此可认为设计洪水计算成果比较合理。

5设计断面水位流量关系

I段治理河段右岸已新建通村公路,左岸500m处也有乡村公路,同时河上已新建大桥(建于2003年),且大桥为治理河段的终点断面。该桥自建好至今近十年未翻过,2008年洪水发生时距封洞约20cm,该断面近年来没有发生大变化,基本维持原态,因此设计以致富桥所在断面为控制断面进行其水位流量推算。由于1991年历史洪水发生年限较久,且河道两岸也发生大变化,因此高水比降结合2008年和2002年历史洪水位进行推算,高水比降为1132j~1109j,低水比降按现有河道走向和测时水面线确定为2113j~1198j。II段治理河段区域地势平缓,两岸以乡镇、农田为主。治理河段上建有跨河大桥(建于1997年),治理河段终点断面为一滚水坝。河道治理前该河段经常发生漫滩,治理时河道两岸进行加堤加固,断面变化较大。因此,设计在治理河段末端下游200m处取断面进行水位流量关系推算。高水比降结合2008年和2002年历史洪水进行推算,经分析计算高水比降为0145j~0184j,低水比降按现有河道走向和测时水面线确定为1113j~0184j。两个治理河段,治理前河道糙率参照5天然河道糙率参考表6及历史洪水调查成果,取01045~0105,治理后河道进行清淤整平,河床糙率相应减小,设计取0104~01045。根据设计断面水力学参数,采用曼宁公式计算得到该断面水位流量关系成果,计算成果见图1和图2.

6结论

通过对防洪工程河段暴雨洪水特性规律的推演计算,得到与河道历史洪水相匹配的设计洪水计算成果,并结合河道典型断面计算得到设计断面水位流量关系,为工程优化设计和兴利调度运行提供了科学依据。(1)PZ水文站位于两段治理河段之间,集水面积与治理河段相差不大,能较好反应治理河段的洪水情况。AS气象站距离治理河段约21km,气候条件相似,且观测资料系列较长,精度高。设计采用PZ水文站和AS气象站资料进行设计洪水计算参证站。(2)防洪治理河段,目前已知最大洪水发生在1991年,洪峰流量为978m3/s。水文比拟法计算洪峰流量与历史洪水基本一致,洪水计算时考虑支流汇流等因素,设计洪水计算结果比较合理。(3)经水位流量关系和按现有河道走向和测时水面线推算,I段治理河段高水比降约1132j~1109j,低水比降为2113j~1198j;II段治理河段高水比降为0145j~0184j,低水比降为1113j~0184j。两个治理河段河道糙率设计取0104~01045。

参考文献:

[1]徐华.推理公式法计算山洪沟设计洪水[J].水利科技与经济,2014,20(03):1112112.

[2]吴婉玲,谢华伟,陈晓东.特小流域暴雨洪水计算研究概述[J].浙江水利水电专科学校学报,2010,22(03):30233.

[3]赵祺,许静,于丹.玉皇庙水库设计洪水合理性分析[J].黄河水利职业技术学院学报,2010,22(04):729.

[4]赵万宪,徐立萍.东部山区中小流域设计洪水计算方法适用性的探讨[J].吉林水利,2013,(05):21222.

[5]黄岁钿.泉州新安水库除险加固设计洪水成果合理性评价[J].中国水能及电气化,2010,(07):47250.

[6]肖念婷.小流域设计洪水计算方法的探讨[J].水科学与工程技术,2013,(05):14216.

作者:鲍海霞 单位:赤峰市水利规划设计研究院

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