潍坊市大石河洪涝水分析计算实例

潍坊市大石河洪涝水分析计算实例

王洪运,张立生,秦永辉

山东恒源勘测设计有限公司 邮编：261000

摘要：洪涝灾害是潍坊市主要自然灾害之一，伴随台风和暴雨，威胁人民生命财产及生产生活。2018年、2019年连续两年潍坊市遭受强台风引发的特大洪涝灾害，给潍坊市造成重大经济损失，但同时也给现有水利防洪排涝工程体系号了脉，暴露出潍坊市在防洪排涝体系建设及运行管理中的诸多不足，已引起各级政府及水利主管部门的高度重视，下一步将加强全市中小河流的防洪排涝体系建设，而洪涝水分析计算是防洪排涝体系建设的首要任务。本文主要以潍坊市大石河为例进行洪涝水分析计算，为后期河道治理提供参考。

关键词：洪涝；设计洪水；暴雨；径流

1、大石河历史演变概况

大石河，又名石沟河。《水经注》称洋（音详）水。光绪《临朐县乡土志》卷之十：“石沟水，一名北洋，俗呼为石沟河，其水发源益都石膏山，流至王坟庄入本境，距城三十里，人和溜水自西南入，东流至涝洼庄，仰天溜水自西南入，石虎溜水自西北入，至黑虎山下，折而东北，经赵疃庄东刘万户墓前，又东逾石沟河庄三里许，始入于巨洋。此水约行境内盖四十里也，巨洋北流，经郭家市庄东，有水自西来注者曰清凉水。”季节性河流，流经王坟镇，经黑虎山水库，在石河乡入弥河。目前，全国中小河流统计名录中记为“大石河”，当地多称为“石河”。

建国以后，大石河历经多次治理，对大石河进行了疏浚拓挖、河岸防护，基本稳定形成了河道现有河形、走向。

2、大石河河道概况

大石河属弥河一级支流，发源于青州市王坟镇胡林谷村，于青州市弥河镇东南岭汇入弥河，是一条以防洪、排涝为主的河流。大石河干流全长38km，流域面积244km2，平均比降8.14‰。流域形状为狭长叶状，为灰岩山区，黑虎山上游段为山丘区，河道比降较陡，黑虎山水库下游段为河谷冲积平原，比降稍缓。河道主要支流有钓鱼台河及数条山洪沟，流域内有黑虎山、钓鱼台两座水库。

3、设计洪涝水计算

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）、《防洪标准》（GB50201-2014）及《山东半岛防洪规划报告》，综合分析大石河防护范围、防护对象及其重要性、现状及规划情况，本次计算大石河10%、5%频率下的设计洪水。

由于大石河流域内无水文测站，无法利用实测流量资料计算设计洪水，流域内有王坟站、安家庄雨量站，具有1961～2020年60年连续观测资料，流域周边附近设有仁河水库等雨量站，故本次设计采用暴雨资料计算设计洪水。

3.1水文基础资料及计算单元划分

1、水文资料概况

大石河流域内有王坟站、安家庄雨量站，流域周边附近设有仁河水库等雨量站，雨量站位置、名称、观测年限、设站日期等资料情况如下：

表3.1-1  大石河推求设计暴雨洪水选用的雨量站

设计洪水分析计算所采用的暴雨资料为王坟站1964年~2020年实测降雨整编资料及分析计算成果。经审查，资料系列长度符合规范要求，其可靠性、代表性均较高，因此资料可靠。

图3.1-1    大石河流域示意图及雨量站点分布

2、计算单元划分

根据大石河的主要控制断面分布情况和流域降水特点，将大石河自上而下划分为13个单元。各计算单元情况详见表2.1-2。

表3.1-2  大石河推求设计暴雨洪水控制单元

图3.1-3    大石河流域面积增长图

3.2实测暴雨资料推算设计暴雨量

为了避免大暴雨资料在降雨时间和地点上的随机性，避免大石河流域内单一长系列资料控制范围小、雨量站代表性不足、系列相对较短等因素造成设计暴雨成果偏小，从较好地反映大石河流域的暴雨特点、保证河道防洪安全考虑，本次设计暴雨计算在较大范围内选取雨量站，采用地区暴雨综合频率曲线法推求设计暴雨，使设计暴雨成果更为合理。

设计面雨量的分析计算，本次采用地区暴雨综合频率曲线法计算大石河流域最大24小时、最大72小时点雨量，经点面关系换算后得出流域设计面雨量。

由地区暴雨综合频率曲线法分析计算水库设计雨量时，不仅采用了大石河流域内的王坟站雨量资料，还采用了相邻流域、暴雨洪水一致区的仁河水库、安家庄等2个雨量站的雨量资料。2站地理位置与大石河流域较近相邻。各雨量站的观测雨量系列长度均在30年以上，满足现行设计洪水计算规范的要求。系列中大暴雨资料相对较多，为频率曲线外延提供了可靠的点据。

2019年8月10至8月13日，受台风“利奇马”影响，大石河流域发生特大暴雨，根据大石河流域内王坟雨量站8月10日至8月13日记录的雨量过程（数据来源于潍坊市水利局汛情查询系统），8月10日10时至8月13日9时最大72小时降雨量为468.5mm，最大6小时、12小时及24小时暴雨量分别为166.5mm、266mm、409.5mm，分别占最大72小时降雨量的35.5%、56.8%、85.8%。2019年利奇马台风期间，大石河流域内王坟雨量站最大24小时、最大72小时降雨量均为建站以来最大值，宜按特大值进行处理。2019年暴雨重现期可参照《潍坊市弥河流域防洪规划》确定，根据批复的《潍坊市弥河流域防洪规划（修编）》，在调查取证的基础上经综合分析，确定2019年暴雨重现期采用200～300年，本次设计洪水计算过程中2019年暴雨重现期按300年计算。

地区暴雨综合频率曲线法进行面雨量计算时，首先对单站最大24、72小时暴雨资料系列进行频率计算，确定各站不同时段的统计参数均值、Cv。然后将各站最大24、72小时暴雨系列的经验频率分别点绘于同一机率格纸上，确定其统计参数，查算不同设计频率的暴雨量。经点面关系换算，得相应设计面雨量。

图3.2-1流域最大24小时点雨量频率曲线      图3.2-2流域最大24小时点雨量频率曲线

表3.2-4    设计雨量分析计算成果表

实测暴雨法采用了1961～2020年共60年的实测降雨量资料系列，2021年流域内未发生大暴雨大洪水，系列资料基本包含了丰平枯各种年份的暴雨和周期变化，频率分析时对其中的特大值作了特大值处理，系列资料的一致性、代表性较好，可信度较高，推求的面雨量成果较为合理。

3.3产流计算

（1）设计雨型

大石河流域上游属山丘区，根据流域位置、暴雨特性，本次设计雨型采用山东省水利厅鲁水发规字[2011]146号文件下发的《山东省中小河流治理工程初步设计设计洪水计算指导意见》中泰沂山北区一小时设计雨型。

（2）设计净雨计算

根据计算单元划分情况可知，大部分计算单元均为山丘区，仅部分干流区间单元存在河谷平原。根据《指导意见》，山丘区应根据“山东省降雨径流关系P+Pa～R”6号线查算各日净雨量，设计前期影响雨量Pa取40mm；平原区应根据14号线查算各日净雨量，设计前期影响雨量Pa取50mm。山丘、平原混合区净雨量采用下式计算：R混=R山-K（R山-R平）。

3.4汇流计算

由设计净雨推算设计洪水过程，采用山东省综合瞬时单位线法推算。

瞬时单位线参数M1、M2计算公式如下：

M1=kF0.33J-0.27R-0.20tc0.17

M2=0.34m1-0.12

上式中：k——为瞬时单位线第系数，根据平原占比查算；

F——流域面积，单位km2；

J——主河道比降；

R——设计净雨深，单位：mm；

tc——净雨历时，单位：h；

根据设计雨型、设计净雨量及流域特性参数可求得瞬时单位线参数，进而求得时段单位线，由各时段净雨过程逐时段演算叠加得相应流量过程，以上过程加基流即为设计洪水过程，基流按每100km2加1m3/s计算。

3.5设计洪水地区组成

大石河流域内有黑虎山水库中型水库1座，本次设计洪水汇流计算采用同频率地区组成法，当设计断面发生设计频率的天然洪水时，本次采用“上游水库与全流域同频，区间相应”、“区间与全流域同频，上游水库相应”两种方案，对工程所在断面的洪水过程经调洪计算得到下泄洪水过程，经马斯京根法河道洪水演算后再与区间洪水过程组合，推求出设计断面的洪水过程，比较两种方案的计算成果，最终采用计算结果最大的洪水组合方案。

黑虎山水库为中型水库，控制流域面积190km2。根据已批复实施的《青州市黑虎山水库增容工程初步设计报告》，黑虎山水库按20年一遇防洪高水位控泄，控泄流量556m3/s，超过20年一遇防洪高水位闸门全开自由敞泄。

设计洪水计算成果详见表3.5-1。

表3.5-1    大石河设计洪水成果表

3.6与已有设计成果对比及合理性分析

（1）计算成果合理性分析

设计雨量的分析计算，采用地区暴雨综合频率曲线法计算大石河流域设计雨量。地区暴雨综合频率曲线法不仅采用了流域内的王坟站和安家庄站的雨量资料，还采用了与本流域相近，暴雨洪水一致区的仁河水库站雨量站的资料。采用所有测站实测暴雨资料系列1951年～2020年，2021年流域内未发生大暴雨大洪水，设计洪水所采用暴雨系列中包含了近几年对当地影响较大的暴雨成果，计算所依据的基础资料较为可靠、全面，分析计算结果的合理性、安全性、代表性较好。

产流计算采用降雨径流关系线，汇流计算采用山东省综合瞬时单位线法。设计洪水地区组成中考虑了黑虎山水库的调蓄作用，本次采用“上游水库与全流域同频，区间相应”、“区间与全流域同频，上游水库相应”两种方案，最终采用计算结果最大的洪水组合方案。上断面设计洪水利用马斯京根法演算与下断面相应频率设计洪水叠加，所推求的设计洪水更加符合流域的产汇流规律，其洪水组合更加合理。各计算步骤均符合现行设计洪水规范的要求。

（2）与已有计算成果对比

①2018年12月，潍坊市水利建筑设计研究院编制了《大石河前营村段至弥河入河口综合治理工程初步设计报告》。设计洪水计算采用实测暴雨法，采用了临朐站1961～2010年共50年的实测降雨量资料系列。计算大石河入弥河口断面5%频率下的洪峰流量为692m³/s。

②2018年8月，山东省水利勘测设计院编制了《青州市黑虎山水库增容工程初步设计报告》。根据黑虎山水库及附近流域水文观测资料，复核并采用了2008年12月山东省水利勘测设计院编制的《黑虎山水库除险加固工程初步设计报告》中洪水设计成果。经分析计算，黑虎山20年一遇设计洪峰流量为1223m3/s。

③2021年1月，山东省水利勘测设计院编制了《青州市黑虎山水库安全鉴定防洪能力复核报告》，将实测暴雨资料系列延长至2019年，计算黑虎山水库20年一遇设计洪水洪峰流量为1354m3/s。

（3）设计成果的采用

黑虎山水库断面洪水主要与《青州市黑虎山水库安全鉴定防洪能力复核报告》进行对比分析，本次复核结果与其差别不大，《青州市黑虎山水库安全鉴定防洪能力复核报告》经过专家评审，因此本次采用《青州市黑虎山水库安全鉴定防洪能力复核报告》的成果，黑虎山水库20年一遇设计洪水洪峰流量为1354m3/s。

《大石河前营村段至弥河入河口综合治理工程初步设计报告》中的资料系列较短，并且未加入2018、2019年大石河流域特大洪水。本次设计洪水计算资料系列至2020年，2021年未发生大洪水，设计暴雨计算中对特大洪水作了特大值处理，可靠性、代表性均较好，因此，大石河流域其他断面设计洪水采用本次计算成果。

表3.6-1   大石河设计洪水成果采用表

4、结束语

洪涝水分析计算是中小河流治理规划设计的重要组成部分，本文以潍坊市大石河为例进行洪涝水分析计算，为后期河道治理提供依据。

参考文献

［1］青州市黑虎山水库安全鉴定防洪能力复核报告.山东省水利勘测设计院，2021.

［2］黑虎山水库除险加固工程初步设计报告.山东省水利勘测设计院，2008.

［3］大石河前营村段至弥河入河口综合治理工程初步设计报告. 潍坊市水利建筑设计研究院，2018.

［4］关于河道洪水计算的探讨，杨超群；尚立波，中国科技信息，2010.

［5］安丘市下株梧水库设计洪水计算.江宁宁；张民；王翊人，山东水利，2010.