小流域水文水动力洪水预报研究_唐宇飞.pdf

地球科学与环境工程河南科技Henan Science and Technology总第799期第5期2023年3月小流域水文水动力洪水预报研究唐宇飞曾雪彤（中规院（北京）规划设计有限公司，北京100044）摘要：【目的目的】分别采用水文和水动力方法计算设计暴雨条件下田家湾流域洪水流量，在传统流域水文模型的基础上增加了二维水动力学模型计算，以晋中市田家湾水库上游流域为研究实例，模拟了不同历时降雨条件下小流域洪水水文水动力产汇流过程。【方法方法】水文计算中在该地区的长历时设计暴雨条件下分别采用综合瞬时单位线法和推理公式法进行设计洪水演算，同时在小范围流域水动力计算中，首先对基础数据进行预处理，之后采用芝加哥雨型设计流域短历时暴雨，通过地形资料建立HEC-RAS二维水动力学模型对上游汇水分区内的流域进行降雨径流模拟。【结果结果】长历时暴雨对田家湾水库上游形成洪水具有较大的影响，短历时暴雨下水库能够调节流域的洪水。【结论结论】本次计算模拟成果对有小流域地区的洪水预报有一定的意义。关键词：田家湾水库；小流域；洪水预报；设计暴雨；二维水动力模型中图分类号：P338文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）05-0101-05DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.05.020Study on Hydrological and Hydrodynamic Flood Forecasting in SmallWatershedTANG YufeiZENG Xuetong(CAUPD Beijing Planning&Design consultants,Ltd.,Beijing 100044,China)Abstract:PurposesIn this study,the hydrological and hydrodynamic methods are used to calculate theflood flow in the Tianjiawan basin under the designed storm conditions,and the two-dimensional hydrodynamic model is added comparing with the traditional watershed hydrological model.Taking the upperreaches of the Tianjiawan reservoir in Jinzhong City as an example,this paper stimulates the hydrologicaland hydrodynamic runoff generation and concentration processes of small watershed floods under different rainfall durations.MethodsIn the hydrological calculation,the comprehensive instantaneous unithydrograph method and the inference formula method are respectively used for the design flood routingunder the condition of the long duration design rainstorm in the region.At the same time,in the hydrodynamic calculation of a small watershed,the basic data are first preprocessed,and then the short durationrainstorm in the designed watershed of the Chicagoan type is used,HEC-RAS two-dimensional hydrodynamic model is established through topographic data to simulate rainfall and runoff in the watershed inthe upstream catchment area.FindingsThe research results show that the long duration rainstorm hasa great impact on the flood formation in the upper reaches of Tianjiawan Reservoir,and the reservoir canregulate the flood in the basin under the short duration rainstorm.ConclusionsThe results of this calculation and simulation have certain significance for flood forecasting in small watershed areas.收稿日期：2022-10-04基金项目：不同气候带典型城市海绵建设技术体系研究（K20200919）。作者简介：唐宇飞（1991），男，本科，工程师，研究方向：海绵城市水环境治理、城市内涝与流域治理方面的研究和规划设计。102第5期唐宇飞，等.小流域水文水动力洪水预报研究Keywords:Tianjiawan Reservoir;small watershed;flood forecast;design storm;two-dimensional hydrodynamic model0引言晋中市地处于太行山脉以西，其地形为东北、东南高，西南部低，由山区到平川呈阶梯状下降，在地貌上，山、丘、川等各类地形齐备，过渡明显。境内大小河流12条，其中与城区北部防洪密切相关的河流为涧河，与南部防洪密切相关的河流为潇河。晋中城区及潇河、涧河等主要河流流域受大陆低压影响，暴雨洪水时空分布不均匀，同时受地形影响显著，局地发生暴雨频繁，且多受山区来水影响，降雨产流迅速、水流汇集快、河道流速大1-2。因此，为保障城区区域流域水安全，根据晋中市建成区北部水系分布、水库、自然低洼区域布置情况，以调蓄空间为缓洪节点，对天然洪水断面进行拆分，划分多个汇水区域，通过构建区域洪水汇集-空间分级分散蓄滞-末端排放的系统，实现北部流域区域的蓄排平衡，保障城市建成区区域流域的防洪安全，为海绵城市建设提供理论依据。其中，田家湾水库上游对实现建成区北部流域系统的蓄排平衡起到重要作用。田家湾水库位于晋中市榆次区，其控制流域面积约为97 km2，在该流域中，灰岩区域约占13.4%，砂页岩区域约35%，黄土丘陵区域约51.5%3。水库控制流域为典型的大陆型半干旱季风气候区，冬春季节气温低，降水稀少，夏秋季节气温偏高，降水丰富且旱涝灾害频发，年气温均值为11.2，年降水量均值为399 mm。根据统计资料，79月为汛期，汛期降水量在全年降水总量中占比在70%及以上，蒸发较大，年蒸发量均值为2 112.5 mm，年风速均值为1.6 m/s，冬春季节最大风速可达25.8 m/s4。由于该流域资料少、面积小且地形情况比较复杂，在不同降雨情景下对整体流域洪水预报进行针对性分析是非常有必要的。本研究以晋中市田家湾流域为研究区，基于水文分析与水动力模拟建立小流域暴雨洪水框架，重点对田家湾水库所在上游流域进行水文计算和二维水动力模拟，探究不同降雨条件下的流域洪水情况，探讨小流域长短历时暴雨产汇流及洪水预报的可能性。1水文水动力计算1.1水文计算田家湾水库上游控制流域范围小于100 km2，属于小流域，故无水文测站，因此在水文计算中采用长历时设计暴雨推求流域汇集洪水情况。本次流域洪水水文计算采用 山西省水文计算手册 进行流域设计洪水流量计算5。1.2设计暴雨计算水文计算在设计暴雨的计算方面包括设计点暴雨、设计面暴雨、主雨历时和主雨雨量等内容6-7。通过计算得出田家湾水库上游断面在50年一遇和100年一遇的点雨量和设计面雨量随着时间变化的值，如图1所示。可以看到，随着重现期的增大各断面设计面雨量明显增大；同时，随着时间的延长设计面雨量的值呈现梯度式的增长。最终通过设计面雨量采取50年一遇和100年一遇计算出的主雨历时与主雨雨量，如表1所示。1.3产汇流计算本次计算根据当地水文计算产流参数选取原则，采煤漏水区砂页岩灌丛山地的产流参数参考石灰岩灌丛山地的参数，选用石灰岩灌丛山地参数的下限参数。计算断面的产流地类和各地类的参数取值，如表2所示。根据设计净雨深计算公式计算主雨日的设计净雨深，净雨深计算采用双曲正切模型8，设计净雨深计算成果如表3所示。通过不同重现期下各断面净雨深的变化，可以看到随着重现期的增大在设计面雨量/mm160140120100806040200P=2%P=1%时间/h01020304050607080图150年一遇和100年一遇设计面雨量变化计算断面田家湾水库上游频率/%21主雨历时/h7.98.6主雨雨量/mm86.7100.4表1主雨历时和主雨雨量表第5期103唐宇飞，等.小流域水文水动力洪水预报研究100年一遇的条件下比50年一遇时约增加约13 mm。在流域洪水汇流计算中分别采用综合瞬时单位线法和推理公式法进行计算分析，汇流地类及参数取值如表4所示9-10。通过综合瞬时单位线法计算得到水库上游在50年一遇长历时降雨条件下产生的最大洪峰流量为561 m3/s，100年一遇长历时设计降雨条件下最大洪峰流量为706 m3/s。经推理公式法计算，得到设计洪水成果如表 5 所示，其中在长历时暴雨条件下，该水库上游50年一遇洪峰流量为641 m3/s。1.4洪水成果合理性分析田家湾水库除险加固初步设计报告 中采用了推理公式法进行入库洪水计算，报告中在100年一遇情况下计算出的洪峰流量为861 m3/s。本次推理公式法计算的 100 年一遇洪水的洪峰流量为851 m3/s，24 h洪量496万m3，与该报告的成果较为接近，故推理公式法的计算成果可以采用。2水动力计算水动力计算采用HEC-RAS进行二维降雨径流模拟，该二维水动力学模型具有建模要求低、计算速度快、后处理灵活等优势，适用于河道洪水演进和山区降雨汇流等多种场景下的模拟，其模块包含恒定流、非恒定流、泥沙等11-12。本次模拟采用芝加哥雨型，通过HEC-RAS二维降雨径流模块对该流域进行洪水流量预报。2.1洪水分析模型构建本次研究区域选取田家湾水库上游汇水分区进行水动力模型构建，以短历时暴雨情景模拟上游降雨形成洪水情况。地形数据采用数据分辨率为10 m的DEM，降雨数据采用当地芝加哥暴雨强度公式，其他相关数据通过文献和网络进行收集13。模型建模区域如图2所示，流域包含大小河流几十条，汇水分区面积约为97 km2。短历时暴雨采用晋中市芝加哥暴雨公式进行计算，分别模拟10年、20年、30年、50年和100年在2 h短历时暴雨情况下的洪水过程，计算公式为式（1）。q=2907.633（1+0.726Lgp）（t+21.457）0.851（1）式中：q 为降雨强度，mm/min；t 为降雨历时，min；P为重现期，a。计算结果如图3所示。计算断面田家湾水库上游产流地类石灰岩森林山地石灰岩灌丛山地砂页岩森林山地砂页岩灌丛山地黄土丘陵阶地合计面积/km22.1810.983.9330.3149.6197.0储水系水35.530.523.018.021.021.54水文地质参数3.352.901.501.201.401.56表2断面产流地类及参数选取表表3净雨深计算成果表计算断面田家湾水库上游净雨深/mmP=2%39.74P=1%50.95表4汇