陇南山区无资料地区暴雨洪水...研究——以武都区笼床沟为例_冯保国.pdf

DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.12.001收稿日期：2022-11-05作者简介：冯保国（1974-），男，陕西渭南人，工程师，主要从事水文测验、水文调查及水文资料整编，E-mail：。陇南山区无资料地区暴雨洪水调查及重现期计算研究以武都区笼床沟为例冯保国（甘肃省水文站，甘肃 兰州 730000）摘要：暴雨洪水调查结果作为水文资料的一部分，对区域水文资料的完善起到很大作用。无资料地区的暴雨洪水调查一直是一个难题，在调查及计算过程中存在很大的困难。以陇南山区小流域笼床沟“715”特大暴雨洪水为例，在流域暴雨洪水调查的基础上，采用水文图集法、比降面积法、水科院推理公式法和地区综合多参数经验公式法对流域暴雨洪水进行了计算，并给予了合理性分析。结果表明：上述几种方法的计算结果接近，计算确定的洪峰流量为335 m3/s。其中用水科院推理公式法计算出的洪水重现期为100年；用地区综合多参数经验公式法计算出的洪水重现期接近50年，最终确定洪水重现期为50年。四种计算方法在陇南山区无资料地区暴雨洪水计算中的拟合效果较好。关键词：暴雨；洪水；推理公式；重现期中图分类号：TV122+.1文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）12-0001-06第 58 卷 第 12 期2022 年 12 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.12Dec.，20221研究背景受气候变化及人类活动影响，区域极端降水事件频繁发生，由此引起的山洪泥石流灾害给区域经济发展带来了很大影响。由于地形地貌、气象、测量手段的限制，仍然存在很多水文资料缺失的地区，尤其是在一些中小河流上。因此，在中小河流山洪灾害预报、防御方面的手段亟需提高。无资料或者缺资料地区的水文计算及水文预报存在极大困难，其水文模型研究一直是水文学科研究的焦点1。国际水文科学协会于 2003 年 7 月正式启动了无资料流域水文预报计划（Predictions inUngauged Basins，PUB）1-2，计划在未来的 10 年内集中解决无资料地区的水文预报问题。最近几年，GIS系统在水文学研究中得到广泛的应用，如SWAT 模型3-6、TOPMODEL 模型7-10等均基于 GIS系统，但是上述模型是建立在已有水文数据基础之上的。查阅大量资料发现，大多数模型在综合了流域的各类要素进行模拟后，在中小河流上的应用效果并不是很好。对于陇南山区流域面积在30300 km2的山溪性河流，应用效果更差。而且水文模型主要应用于水文预报，在灾害发生后的调查计算方面的应用研究仍有欠缺。水文调查作为水文监测资料的补充，在某种程度上可以弥补由于水文监测站点缺少而导致的资料缺乏问题，但是在一些特别小的河流上，既无降水监测资料也无径流监测资料，给水文调查也带来了一定的困难。怎样准确地调查计算无资料地区的暴雨洪水，是水文调查研究的重点。水文调查包括暴雨调查和洪水调查，二者相辅相成。一般在石质山林区，降水量的重现期与洪水重现期是相同的，要调查洪水发生过程，首先要调查流域暴雨情况。2022年7月15日21时20分许，陇南市武都区汉王镇笼床沟上游周边区域短时间突发极端暴雨，据笼床沟传子山雨量监测站数据显示，当日21时10分至21时30分，测得的30 min降雨量高达48.6 mm。由暴雨引发山洪，再由洪水裹挟泥沙不断冲刷，质量约450 t的巨石翻滚而下，卡在距沟口约150 m处，堵塞了行洪沟道，致使洪水上岸，造成重大自然灾害。为了摸清此次暴雨洪水的产汇流机理，填补无资料地区的暴雨洪水资料，确定暴雨与洪水重现期，支撑当地洪涝灾害评估工作，全面收集了流域周边降水量监测站的数据，对流域面平均雨量、洪峰流量、暴雨洪水重现期进行了计算研究。研究结 1果可以为陇南山区无资料地区暴雨洪水调查及计算提供新的途径，为当地山洪灾害防御提供数据支撑。2区域概况笼床沟是白龙江左岸一级支流，流域内地形复杂，植被稀疏，土壤涵养水分能力差，上下游落差大。笼床沟流域属典型的山溪性小流域，河床下切较深，流域面积为32.8 km2，主沟道长度为10.5 km，平均坡降为9.37%，沟道宽度16.325.0 m，沟道平时干涸，常年平均流量不足1.00 m3/s，汛期径流主要靠降水补给，强降雨极易形成山洪灾害。笼床沟流域水系分布见图1。3资料来源及主要计算方法3.1资料来源暴雨洪水调查的范围为白龙江左岸一级支流笼床沟流域。调查尽量以灾害发生之前时段的场次降水量及降水过程为主，笼床沟“715”特大暴雨属短历时强降水，降水共持续3 h，累积时段最长也为3 h。共收集到笼床沟流域内2处雨量站点及流域周边15处雨量站点的数据，统计结果见表1。站点包括7处山洪灾害预警系统站点，分别是传子山雨量站、八海雨量站、桔柑雨量站、固水子雨量站、玉皇雨量站、龙湾雨量站和郭河雨量站，其余10处均为水文部门监测站点。3.2水文图集法研究区域属无资料区，降水量频率计算依据甘肃省暴雨洪水图集11。区域内点雨量均值、Cv值可根据图集水文分区查得，Cs/Cv取3.5。1 h、6 h和 24 h 的不同频率降水量由模比系数乘均值获得。根据24 h降水量，用暴雨公式计算可得3 h的不同频率降水量。暴雨公式为：H3p=H24p24n2-131-n2（1）式中：n2为暴雨指数，取0.70。3.3比降面积法推求洪峰流量时，采用比降面积法。选择流向顺直、断面比较规整的河段，布设纵断面、横断面，N村庄水系流域边界图例佛沟堂沟笼床江白龙董家塄后沟里八海山斗子坪成家山侯家湾川子山图1笼床沟流域水系分布图表1笼床沟流域及周边站点降水量mm序号1234567891011121314151617站点马街安化武都望子关外纳老蒿船甘泉长坝屯寨安坪传子山八海固水子桔柑玉皇龙湾郭河1 h降水量12.043.022.232.427.443.223.832.87.811.856.047.836.928.019.438.228.83 h降水量15.446.034.434.830.645.230.033.68.012.659.057.539.530.924.144.836.42022年第12期甘肃水利水电技术第58卷 2测量计算出过水断面面积、比降等各种参数，并选用适当的糙率，用曼宁公式推求洪峰流量：Q=1nR23S12A（2）式中：Q洪峰流量（m3/s）；n调查沟段糙率；R水力半径（m）；S洪水比降（以小数计）；A洪水过水面积（m2）。3.4水科院推理公式法根据暴雨重现期进行设计点雨量计算，各时段点雨量乘以点面折算系数，再乘以流域形状系数，得出相应的面雨量。按照 甘肃省暴雨洪水图集11甘肃省暴雨特性研究12进行参数选取。采用水科院推理公式法计算得到设计洪峰流量Qm及相应的流域汇流时间。计算公式如下：Qm=0.278 Spn-FtcQm=0.278Spt1-nc-tctc=0.278LmJ1 3Q1 4m（3）式中：F、L、J为流域特征参数；S、n为暴雨特征参数；、m为产汇流参数。计算时根据资料情况分别确定有关参数，对于没有任何观测资料的流域，需查阅有关图集。3.5地区综合多参数经验公式法近几年，地区综合多参数经验公式法得到了广泛应用，拟合效果较好，甘肃省地区综合多参数经验公式为：Q10%=1.21F0.70H0.9710%J0.74f-0.72（4）Q5%=1.42F0.70H0.975%J0.74f-0.72（5）Q2%=1.79F0.70H0.972%J0.74f-0.72（6）Q1%=1.79F0.70H0.971%J0.74f-0.72（7）式中：Q10%、Q5%、Q2%和Q1%分别为相应频率的洪峰流量（m3/s）；F为流域面积（km2）；H10%、H5%、H2%和H1%分别为相应频率的时段暴雨量，一般规定当流域面积在30300 km2时,取用1 h暴雨时段；J为河流坡度，实测或量取；f为流域形状系数，按公式f=F/L2计算；L为河长（km）。4笼床沟流域暴雨洪水调查计算研究4.1暴雨时空分布按照最大1 h、3 h统计各站点的最大累积降水量。分析可知，该次降水过程中，暴雨中心为传子山雨量站，降水量逐渐向上游的八海雨量站衰减。周边大部分雨量站监测到的降水开始时间是7月11日，在距离暴雨中心较近的桔柑雨量站处，降水开始时间是7月15日上午9时许，笼床沟内两处雨量站的降水量主要集中在7月15日。传子山雨量站降水自15日21时开始，至16日0时结束，降水历时为3 h；八海雨量站降水自15日21时开始，至16日1时结束，降水历时为4 h。传子山雨量站测得的降水量为59.0 mm，八海雨量站测得的降水量为56.2 mm。由传子山雨量站、八海雨量站测得的降水过程可以看出，传子山雨量站强降水出现在21时至22时，八海雨量站强降水出现的时间为22时至23时。由此可以推断，暴雨中心的移动方向为自南向北。由于降雨历时较短，只能统计到最大1 h、3 h累积降水量，6 h、12 h和24 h降水量等于3 h降水量。用GIS软件将降水等值线之间的面积进行切割，得出各等值线在流域内的笼罩面积，并用面积加权法计算出面平均雨量，从而计算出时-面-深关系。1 h、3 h降水量时-面-深关系见表2和图2。4.2暴雨强度分析及重现期计算区域内1 h面平均雨量为34.0 mm，3 h面平均雨量为42.3 mm。1 h最大降水量出现在传子山雨量站，时间为15日21时至22时，降水量为56.0 mm，占该次降水总量的95%。因此，只对传子山雨量站1 h、3 h降水量进行重现期计算，最终得出：1 h降水量重现期为超50年；3 h降水量重现期为超20年，且低于50年。4.3洪峰流量及重现期计算采用全站仪对调查断面进行测量，数据经过内业整理及合理性分析后，绘制纵断面及洪水痕迹（图3）。图3显示，测得的洪水水面比降与河床比降相差无几，认为测量结果较合理。4.3.1 比降面积法选择水流顺直、断面比较规整的河段，布设纵断面、横断面，测量计算出过水断面面积、比降等参数。调查发现河段上游、下游均有弯道和跌水，下第12期冯保国：陇南山区无资料地区暴雨洪水调查及重现期计算研究第58卷 3游还有巨石阻塞，左右岸为石质山体，河床一半区域由砂石、砾石和块石组成。根据河床组成岩性及河段形状特征，确定调查河段的糙率为0.065。计算得出过水断面面积为 62.9 m2，洪水水面比降为0.056 2，最终计算出调查断面的洪峰流量为335 m3/s，计算结果见表3。4.3.2 水科院推理公式法（1）各时段设计面雨量按照暴雨重现期计算设计点雨量，各时段点雨量乘以点面折算系数，再乘以流域形状系数，得出相应的面雨量。各时段各频率面雨量计算结果见表4。（2）设计洪水计算采用GIS软件对笼床沟流域特征进行计算，计算 所 需 参 数=L/J1 3=15.8，再 计 算 汇 流 参 数表2笼床沟“7 15”暴雨1 h、3 h降水量时-面-深关系序号12345671 h等值线/mm=56.052.048.044.040.036.032.0笼罩面积/km20.001.843.5817.7026.1031.4032.80平均雨量/mm56.054.052.146.844.741.334.0点面系数1.000.960.930.840.800.740.713 h等值线/mm=59.056.052.048.044.040.0-笼罩面积/km20.007.8013.8023.8030.4032.80-平均雨量/mm59.057.554.250.646.342.3-点面系数1.000.970.920.860.800.74-面平均雨量/mm56.054.052.050.048.046.044.042.040.005101520253035笼罩面积/km2面平均雨量/mm60.058.056.054.052.050.048.046.044.042.040.005101520253035笼罩面积/km2图2笼床沟“7 15”暴雨1 h、3 h降水量时-面-深关系图（a）1 h（b）3 h图3笼床沟调查河段纵断面及洪水痕迹图1 004.001 002.001 000.00998.00996.00994.00992.00高程/my=-0.056 2x+1 002.80R2=0.983 9测时水面线洪痕线横断面y=-0.046 9x+998.12R2=0.992 00.020.040.060.080.0100.0120.0起点距/m2022年第12期甘肃水利水电技术第58卷 4m=0.1950.397=0.62。采用图解法求洪峰流量Qm和汇流历时，先假设汇流历时为一系列t值，根据净雨过程求出相应的净雨ht，按Qm=0.278(ht/t)F求出洪峰流量，再根据假设的一系列 Qm值，按=0.278L/(mJ1 3Qm1 4)分别求出，然后绘制Qm-t曲线和Qm-曲线（图4），两曲线交点即为设计洪峰流量。设计洪峰流量及重现期计算结果见表5。4.3.3 地区综合多参数经验公式法H10%、H5%、H2%和H1%可查阅 甘肃省暴雨洪水图集，根据其中的年最大1 h降雨量（均值）等值线图和年最大1 h降雨量Cv等值线图，量算研究区域的年最大1 h多年平均降雨量和Cv值。确定Cs/Cv=3.5,再查P-型曲线Kp值表，Kp值与均值的乘积为相应频率的点暴雨量，再乘以点面折减系数及流域形状修正系数，得出流域平均雨量。其中1 h设计面雨量值见表4，将H10%、H5%、H2%、H1%以及参数J、f代入式（4）（7），得到相应频率的流量，即Q10%、Q5%、Q2%和Q1%，计算结果见表6。4.4洪水重现期确定用比降面积法推求的洪峰流量为335 m3/s，用水科院推理公式法计算的重现期为 100 年，用地区综合多参数经验公式法计算的重现期接近50年。考虑到 甘肃省中小河流暴雨洪水研究报告 编制时间较晚，分析使用资料系列长，以及笼床沟流域1 h最大降水量重现期为超50年，3 h降水量重现期超20年，且低于50年，最终确定洪水重现期为50年。4.5计算结果合理性分析4.5.1 暴雨结果合理性分析（1）参与暴雨分析计算的降水资料都是气象、水务和水文部门雨量站点的实际观测数据，没有采用调查值，降水数据准确可靠。（2）各雨量站点的降水量观测仪器都是自记雨量计，降水起止时间准确，降水过程清晰，统计的各时段最大降水量准确可靠。（3）在绘制降水量等值线图时，选用了笼床沟内2处雨量站及周边15处雨量站的数据进行分析计算，绘制的降水量等值线图能够真实地反映出该调查河段断面沟口洪水位/m1 000.33断面面积/m262.9水面宽/m31.90平均水深/m1.97水力半径/m1.76比降0.056 2糙率0.065流速/（m/s）5.32流量/（m3/s）335表3笼床沟调查河段洪峰流量计算表4笼床沟各时段设计面雨量时段/h0.51.03.06.024.0设计面雨量/mmP=1.0%48.755.564.9104.0122.2P=2.0%41.647.656.989.7107.1P=5.0%32.837.546.371.587.1P=10.0%26.030.038.357.672.1P=20.0%19.522.630.043.956.4P=50.0%11.313.119.126.435.9P=99.9%6.27.29.914.018.6图4笼床沟设计洪峰流量Qm-t曲线、Qm-曲线500450400350300250200150100洪峰流量/（m3/s）设计洪峰流量Qm-t曲线Qm-曲线1.01.52.02.53.03.5时间/h表5水科院推理公式法设计洪峰流量及重现期河流笼床沟相应频率洪峰流量/（m3/s）P=1%325.0P=2%266.0P=5%193.0P=10%140.0P=20%93.0P=50%34.5表6 地区综合多参数经验公式法设计洪峰流量及重现期河流笼床沟河段沟口相应频率洪峰流量/（m3/s）P=1%420P=2%362P=5%228P=10%156第12期冯保国：陇南山区无资料地区暴雨洪水调查及重现期计算研究第58卷 5次降水在空间上的分布情况，计算出的面雨量准确可靠。4.5.2 洪水结果合理性分析（1）选取的调查河段顺直，河段在山洪过后也没有经过人为改变，属于自然状态，河槽控制良好，断面规整，糙率取用准确。（2）洪水调查及时，被访者对该次暴雨山洪灾害记忆清晰，描述的情况准确可靠。洪水痕迹清晰，被访者指认的洪水痕迹及调查者自认的洪水痕迹均真实可靠。（3）计算所得洪峰流量值为335.0 m3/s，与其他部门调查所得洪峰流量值283.7 m3/s比较接近，结果可靠。5结论以陇南山区笼床沟特大暴雨洪水为例，对区域内暴雨及洪水进行了调查，分别采用了水文图集法、比降面积法、水科院推理公式法和地区多参数综合经验公式法，对无资料地区暴雨洪水调查进行了详细的计算研究，主要得出以下结论。（1）该次暴雨覆盖笼床沟全流域。暴雨中心位于笼床沟沟口传子山一带，最大1 h、3 h点雨量为传子山处测得的56.0 mm、59.0 mm，1 h、3 h点雨量的重现期分别为超50年、2050年。分别绘制了1 h、3 h降水量时-面-深关系曲线，用降水量等值线法计算出笼床沟1 h、3 h面雨量为34.0 mm、42.3 mm。（2）计算确定笼床沟沟口洪峰流量为335 m3/s。用水科院推理公式法计算出的洪水重现期为100 年，用地区综合多参数经验公式法计算出的洪水重现期为接近50年。综合考虑后，最终确定洪水重现期为50年。（3）水文图集法、比降面积法、水科院推理公式法和地区多参数综合经验公式法四种计算方法在陇南山区无资料地区暴雨洪水的计算中，拟合效果较好。在今后的暴雨洪水调查计算中，可以考虑采用。参考文献：1王加虎，李丽，张磊磊.无资料地区水文模拟技术研究M.徐州：中国矿业大学出版社，2019.2尉颖琪.从国际水文计划看水文研究变化趋势J.科技资讯，2011，9(28)：143-143.3刘魁，肖勇，杨洪杰，等.基于SWAT模型的格尔木河径流演变特征研究J/OL.工程地质学报，（2022-10-06）2022-10-14.https:/ TOPMODEL 模型的某流域水文过程的不确定性分析J.水利科技与经济，2022，28(7)：6-10.8李振亚，黄国新，肖凤林，等.基于TOPMODEL的分布式水文模型在中小流域的应用研究J.江西水利科技，2020，46(5)：374-381.9梁汝豪，林凯荣，林友勤，等.基于TOPMODEL的中小河流分布式洪水预报模型及其应用J.水利水电技术，2019，50(9)：62-68.10崔伟财.TOPMODEL模型在白沙河流域洪水预报中的应用研究J.中国水运(下半月)，2019，19(9)：167-169.11甘肃省水利厅.甘肃省暴雨洪水图集K.兰州：甘肃省水利厅,1988：64-75.12甘肃省水文水资源勘测局.甘肃省暴雨特性研究M.兰州：兰州大学出版社，2004.2022年第12期甘肃水利水电技术第58卷 6