截洪溝;洪峰流量;降雨歷時;重現(xiàn)期;山洪容重;徑流系數(shù);匯流面積

Study and comparison of calculation methods for flood peak discharge of cut-off ditch in small watershed

cut-off ditch; peak discharge; rainfall duration; recurrence interval; unit weight of torrential flood; runoff coefficient; catchment area

本文首先通過工程實例,分別按照《水土保持工程設計規(guī)范》、《開發(fā)建設項目水土保持技術規(guī)范》和《室外排水設計規(guī)范》進行計算,并對三種方法的計算結果進行比較。其次,分析研究降雨歷時對流量的影響,分別選取降雨歷時為 5、20、40、60、90和120 min進行分析;分析研究洪水容重對流量的影響,分別選取高含沙山洪容重為 1.1、1.2、1.3、1.4和1.5 t/m3進行分析;分析研究重現(xiàn)期對三種方法流量的影響,分別選取重現(xiàn)期為 3、5、10、15、20、30、50和100年進行分析。最后,通過SPSS軟件,分析和比較各方法的影響因素對截洪溝洪峰流量影響的顯著程度。下面先對幾種方法進行介紹。

1.1

依據(jù)《水土保持工程設計規(guī)范》(GB 51018-2014),永久截洪溝設計排水流量按下式計算[19]。

當缺乏自記雨量計資料時,可采用查降雨強度表法,利用標準降雨強度等值線圖和有關轉換系數(shù)進行計算,具體見式(2)。

溝管的平均流速v(m/s)可按下式計算[20]:

1.2

依據(jù)《開發(fā)建設項目水土保持技術規(guī)范》(GB 50433-2008)進行計算[21]。首先按公式(6)計算清水洪峰流量。

1.3

依據(jù)《室外排水設計規(guī)范》(GB 50014-2006)(2014年版)進行計算[22]。

式中:A?為在重現(xiàn)期下的設計降雨的雨力;C為雨力變動系數(shù),是反映設計降雨各歷時不同重現(xiàn)期的強度變化程度的參數(shù)之一;P為重現(xiàn)期(a);t為降雨歷時(min),計算方法同1.1節(jié)相關公式;b為參數(shù)。

某工程區(qū)位于湖北省武漢市,匯流面積約0.19 km2,防洪排水標準為10年一遇[23-24]。根據(jù)《水利水電工程水土保持技術規(guī)范》(SL 575-2012)[25],陡峻的山地徑流系數(shù)一般為0.75～0.9,計算時取0.8。截洪溝長約1.56 km。坡面流的坡降取有代表性山坡坡度的算術平均值,約為0.54。

2.1

截排水工程應按短歷時設計暴雨計算設計排水流量,截洪溝排水流量采用1 h雨量進行計算。采用湖北省水文水資源局2008年編制的《湖北省暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集》成果,工程區(qū)最大1 h點雨量的均值

2.2

根據(jù)武漢市排水防澇系統(tǒng)規(guī)劃設計標準,武漢市短歷時暴雨的暴雨強度應采用下式計算:

2.3

方法1中,降雨歷時包括坡面匯流歷時和溝管內匯流歷時兩部分。由于溝管內匯流歷時需在截洪溝過水斷面確定后,根據(jù)流速計算得到。然而,此時截洪溝設計流量尚未確定,無法設計過水斷面。因此,需進行試算。先假設溝管內匯流歷時t?,計算總匯流歷時t,確定截洪溝的設計流量和斷面尺寸;再根據(jù)斷面尺寸,按曼寧公式計算溝管內的平均流速,進而重新計算匯流歷時。將計算得到的匯流歷時和假設的匯流歷時進行比較,如果兩者相差較大,則需重新假設進行計算。經(jīng)試算得到10年一遇標準下,截洪溝的設計洪峰流量約為4.05 m3/s。

由2.1節(jié)可知,10年一遇1 h降雨強度為70.8 mm,即i=70.8 mm/h。根據(jù)方法2,計算得到10年一遇設計標準下,截洪溝的清水洪峰流量約為3 m3/s。高含沙山洪容重為1.2 t/m3時,高含沙洪峰流量約為 3.41 m3/s。

經(jīng)計算,10年一遇設計暴雨強度q為267.83 L/(s·hm2),截洪溝的設計洪峰流量為4.07 m3/s。

通過對上述三種方法的結果進行比較,可以得出10年一遇設計標準下,根據(jù)方法2《開發(fā)建設項目水土保持技術規(guī)范》計算得到的洪峰流量最小,根據(jù)方法1《水土保持工程設計規(guī)范》和方法3《室外排水設計規(guī)范》計算得到的洪峰流量較方法2大。方法1和方法3的結果較為接近,約是方法2的1.2倍。因此,對于該工程來說,采用方法1和方法3計算得到的洪峰流量更偏安全。

3.1

為了研究降雨歷時對流量的影響,分別取降雨歷時為5、20、40、60、90和120 min進行分析。不同降雨歷時下,根據(jù)方法1和方法3計算得到的洪峰流量Q?和Q?如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可知:洪峰流量隨降雨歷時的增大逐漸減小,兩者呈冪函數(shù)關系。當降雨歷時小于60 min時,降雨歷時對流量的影響較大;當降雨歷時大于60 min時,降雨歷時對流量的影響減弱。洪峰流量Q?與降雨歷時的關系可由式(14)-式(17)表示,洪峰流量Q?與降雨歷時的關系可由式(18)-式(22)表示,決定系數(shù)均在0.99以上,擬合效果良好。

3.2

為了比較不同高含沙山洪容重對洪峰流量的影響,分別取山洪容重為1.1、1.2、1.3、1.4和1.5 t/m3進行比較。根據(jù)方法2計算得到的高含沙洪峰流量與高含沙山洪容重的關系見圖3。

由圖3可知:不同重現(xiàn)期下,洪峰流量均隨山洪容重的增大而增大,兩者呈指數(shù)函數(shù)關系。洪峰流量與山洪容重的關系可由式(23)-式(27)表示,決定系數(shù)均在0.99以上,擬合效果良好。

3.3

為了研究重現(xiàn)期對流量的影響,分別選取重現(xiàn)期為 3、5、10、15、20、30、50 和 100 年進行分析。由于相關規(guī)范僅給出了3、5、10和15年一遇的重現(xiàn)期轉換系數(shù),因此方法1僅計算了重現(xiàn)期為3、5、10和15年一遇的情況。根據(jù)方法2計算的流量分清水流量和高含沙洪水流量兩種情況,此處僅以高含沙山洪容重1.2 t/m3為例來計算高含沙洪水洪峰流量。將幾種方法計算得到的洪峰流量Q與重現(xiàn)期T的關系繪于圖4,由圖4可知:洪峰流量隨重現(xiàn)期的增大基本呈對數(shù)增長趨勢。當重現(xiàn)期小于50年時,重現(xiàn)期對流量的影響較大;當重現(xiàn)期大于50年時,重現(xiàn)期對流量的影響減弱。

洪峰流量和重現(xiàn)期的具體關系可用式(28)-式(31)表達,決定系數(shù)均在0.99以上,擬合效果良好。

為了對比重現(xiàn)期對三種方法流量的影響,將不同重現(xiàn)期下,三種方法計算得到的截洪溝洪峰流量列于表2。相同重現(xiàn)期下,根據(jù)方法2計算得到的流量與山洪容重有關。因此,表中分別給出了清水洪峰流量、山洪容重為1.1 t/m3、1.3 t/m3和1.5 t/m3幾種情況的結果。

由表2可知,使用方法2依據(jù)《開發(fā)建設項目水土保持技術規(guī)范》,當高含沙山洪容重為1.5 t/m3時,高含沙洪水洪峰流量最大;根據(jù)該方法計算得到的清水洪峰流量最小;使用方法1根據(jù)《水土保持工程設計規(guī)范》和使用方法3根據(jù)《室外排水設計規(guī)范》計算得到的洪峰流量介于兩者之間。方法3的結果略大于方法1,但總體來說差別不大。當山洪容重較小時,根據(jù)方法2計算得到的高含沙洪峰流量小于方法1和方法3;當山洪容重較大時,根據(jù)方法2計算得到的高含沙洪峰流量大于方法1和方法3。即存在一個臨界山洪容重,當實際山洪容重大于臨界值時,推薦使用方法2;當實際山洪容重小于臨界值時,推薦使用方法1和方法3。

以方法3的計算結果為基礎,分析其它方法相對該方法的大小關系,詳見表3。由表3可知,方法1比方法3的結果小0.4%～2.2%。方法2的清水洪峰流量比方法3的結果小22.1%～29.8%;當高含沙山洪容重為1.1 t/m3時,使用方法2計算的高含沙洪峰流量比方法3的結果小17.1%～25.3%;當高含沙山洪容重為1.3 t/m3時,使用方法2計算的高含沙洪峰流量比方法3的結果小4.8%～14.2%;當高含沙山洪容重為1.5 t/m3時,使用方法2計算的高含沙洪峰流量比方法3的結果大0.7%～11.8%。此外,當洪水近似為清水以及山洪容重為1.1、1.3 t/m3時,隨著重現(xiàn)期的增大,方法2與方法3結果的差距呈逐漸減小的趨勢;當高含沙山洪容重為1.5 t/m3時,隨著重現(xiàn)期的增大,方法2與方法3結果的差距呈逐漸增大的趨勢。

方法3的結果略大于方法1,總體來說較為接近,而與方法2的清水流量差別較大。分析其原因主要在于,方法1和方法3均考慮的是設計重現(xiàn)期下、降雨歷時內的平均降雨強度,而方法2考慮的是設計重現(xiàn)期下、平均1 h降雨強度。本文例子中,降雨歷時小于1 h。一般來說,降雨歷時越長,降雨歷時內的平均降雨強度越小。因此,方法2計算得到的清水洪峰流量最小,方法1和方法3的結果較方法2的清水流量大。

影響截洪溝洪峰流量的主要因素有徑流系數(shù)、重現(xiàn)期、降雨歷時、匯流面積、高含沙山洪容重等。采用SPSS統(tǒng)計軟件進行方差分析,研究不同因素對截洪溝設計流量的影響程度。三種方法的影響因素及因素水平見表4-表6所示。各因素水平分別為:徑流系數(shù)取 0.3、0.5、0.7和 0.9;設計重現(xiàn)期取 3、5、10、15、20、30、50 和 100 年;匯流面積取0.1、0.2、0.4和0.8 km2,山洪容重取1.1、1.2、1.3、1.4 和 1.5 t/m3;降雨歷時取 5、20、60、90和120 min。

三種方法影響因素的方差分析結果見表7-表9。從表中可以看出,三種方法各因素的sig.值均為0,小于0.05;F值均大于臨界F值,表明各因素對流量均有顯著影響。同時,通過比較F值的大小可知,對于方法1和方法3,匯流面積對流量的影響最顯著,降雨歷時次之,接著是徑流系數(shù),重現(xiàn)期對流量的影響最弱;對于方法2,匯流面積對流量的影響最顯著,徑流系數(shù)次之,接著是重現(xiàn)期,山洪容重的影響最弱。

通過實例分析,得出該工程在10年一遇設計標準下,截洪溝的洪峰流量采用方法2根據(jù)《開發(fā)建設項目水土保持技術規(guī)范》計算得到的洪峰流量偏小,采用方法3《室外排水設計規(guī)范》和方法1《水土保持工程設計規(guī)范》的結果較為接近,更偏安全。

洪峰流量隨降雨歷時的增大逐漸減小,兩者呈冪函數(shù)關系。當降雨歷時小于60 min時,降雨歷時對流量的影響較大;當降雨歷時大于60 min時,降雨歷時對流量的影響減弱。洪峰流量隨山洪容重的增大而增大,兩者基本呈指數(shù)函數(shù)關系。洪峰流量隨重現(xiàn)期的增大基本呈對數(shù)趨勢增長,當重現(xiàn)期小于50年時,重現(xiàn)期對流量的影響較大;當重現(xiàn)期大于50年時,重現(xiàn)期對流量的影響減弱。

方法3的結果略大于方法1,總體來說較為接近;方法2計算得到的清水洪峰流量最小,方法2計算得到的高含沙洪水流量與方法1、3的相對大小關系與山洪容重有關。

對于方法1和方法3,匯流面積對截洪溝洪峰流量的影響最顯著,降雨歷時次之,接著是徑流系數(shù),重現(xiàn)期對流量的影響最弱。對于方法2,匯流面積對流量的影響最顯著,徑流系數(shù)次之,接著是重現(xiàn)期,高含沙山洪容重對流量的影響最弱。

本文的成果為其它截洪溝工程的科學合理設計提供方法和思路。由于截洪溝洪峰流量的影響因素眾多且較為復雜,因此,本文的結論對于其它區(qū)域的適用性以及不同參數(shù)、不同地區(qū)對結論影響的規(guī)律有待進一步研究。

參考文獻略