东排洪渠分析计算报告

 汉中市东排洪渠改造工程

分段设计洪峰流量分析计算报告

二〇一〇年十一月十五日

目　　　录

一、流域面积的确定

二、分段流量组成

三、设计洪水流量计算方法及选用

四、设计洪水标准及设计暴雨历时

五、设计洪水计算

（一）八里桥水库入库洪水计算

（二）八里桥水库下泄流量计算

（三）八里桥水库至东排入水口区间设计洪峰流量计算

（四）东排入水口至东排出水口（入汉江处）区间设计洪峰流量计算

（五）东排出水口（入汉江处）设计洪峰流量计算

六、考虑八里桥水库入库洪水受阻因素的东排分段洪峰流量计算

一、流域面积确定

东排洪渠出水口以上流域面积43.44km2，由以下三部分组成：

（1）八里桥水库控制流域面积24.00km2，其中18.28km2为然流域（未被规划为城区）面积，5.72km2规划为城区的流域面积。

（2）八里桥水库至东排洪渠入水口（涵洞）区间面积7.44km2。

（3）东排洪渠入水口至出水口（汉江河堤入河口）区间面积12.00km2。

二、分段洪峰流量组成

东排洪渠出水口设计洪水流量，由以下三部分组成：

（1）八里桥水库的下泄流量：

下泄流量由水库入库流量经调洪演算后求得。

水库入库流量＝被列为城区的5.72km2的洪水流量+18.28km2自然流域的洪水流量。

（2）八里桥水库至东排入水口被规划为城区的7.44km2流域的洪水流量。

（3）东排洪渠入口至出水口区间面积12.00km2流域的洪水流量。

三、设计洪水流量计算方法及选用

本次洪水计算按集水面积的下垫面条件，可分为未被规划为城区的自然流域和规划为（或已经是）城区的流域。

1、自然流域洪水流量计算方法

对无实测水文资料的自然流域（河流）洪水计算方法较多，也比较成熟，就我市而言，常用的是《汉中地区实用水文手册》（以下简称《水文手册》）推荐的经验公式法和推理公式法（即用暴雨推求洪水法），有条件的还可采用相似流域比拟法。在这些方法中，从方法的理论基础，资料可靠程度、适用范围以及实际使用效果等方面分析，推理公式法最优，故本报告决定采用推理公式法计算自然流域的设计洪水流量。具体作法在计算过程中介绍。

2、城区洪峰流量计算方法

（1）《室外排水设计规范》（GB50014—2006）公式法

在市政工程《室外排水设计规范》（简称《规范》中，推荐的雨水设计流量计算公式为：

   Qp＝qΨF                   （3—1）

式中：Qp—雨水设计流量（L/s）；

      q—设计暴雨强度〔L/（s·km2）〕；

      Ψ—径流系数；

       F—汇水面积（km2）。

径流系数：可按《规范》表3.2.2—1的规定取值，汇水面积的平均径流系数按地面种类加权平均计算；综合径流系数，可按本规范表3.2.2—2的规定取值。

《规范》表3.2.2—1  径流系数

地面种类	Ψ
各种屋面、混凝土或沥青路面	0.85～0.95
大块石铺砌路面或沥青表面处理的碎石路面	0.55～0.65
级配碎石路面	0.40～0.50
干砌石或碎石路面	0.35～0.40
非铺砌土路面	0.25～0.35
公园或绿地	0.10～0.20

      《规范》表3.2.2—2  综合径流系数

区域情况	Ψ
城市建筑密集区	0.60～0.85
城市建筑较密集区	0.45～0.60
城市建筑稀疏区	0.20～0.45

设计暴雨强度，应按下列公式计算：

 式中：q—设计暴雨强度〔L/（s·km2）〕；     

      t—降雨历时（min）；

      P—设计重现期（a)；

      A1、C、n、b—参数，根据统计方法进行计算确定。

在具有十年以上自动雨量记录的地区，设计暴雨强度公式，可按《规范》附录A的有关规定编制。

（2）汉中市城市北区防洪规划报告中采用的公式：

             （3-2）   

τ＝t1+mt2

式中：Qm—洪峰流量（m3/s）；

      h—τ时段内的净雨（mm);

      F—流域面积(km2）；         

      τ—汇流时间；   

      t1—地面集水时间（0.25～0.35h);

      t2—洪水在管渠内运行时间，根据平均流速计算（平均流速根据排水管网设计，在比降为1/1000～3/1000的情况下，平均流速为0.6～0.9m/s）；

      m—延缓系数，暗管取2，明渠取1.2；

      —成峰系数（在室外排水公式中称径流系数），参照室外排水公式中的径流系数确定，其中值见表1。

表1   成峰系数选用表

序号	不透水覆盖面积情况	成峰系数
1	建筑面积非常稠密的中心区（不透水覆盖面积>90%）	0.9～1.0
2	建筑面积稠密的中心区（不透水覆盖面积70%～90%）	0.6～0.8
3	建筑较密的居住区（不透水覆盖50%～70%）	0.5～0.7
4	建筑较稀的居住区（不透水覆盖面积30%～50%）	0.4～0.6
5	建筑很稀的居住区（不透水覆盖面积<30%）	0.6～0.8

（3）本报告采用的计算公式：

本报告采用的公式是在分析、借鉴上述两个公式的基础上而采用的公式。即：

                  （3—3）

式中  QP—雨水设计流量（m3/s）；

      设计暴雨强度（mm/h），其中t为设计暴雨历时（h）,Ht为t时段内的降雨量（mm)；

      Ψ—成峰径流系数；

       F—集水面积（km2） 

（1）设计暴雨强度的分析与确定：在城建《规范》中设计暴雨强度的基本公式为，其理论依据充分，但公式中相关参数的确定，需要系列较长的自记降雨资料，就目前而言尚不具备这样的条件，加之求解该式较为繁锁，故不采用。《规划》中的公式用的是汇流历时τ内的净雨h（即，净雨强度），经综合考虑，汉中市北区防洪排水规划设计区域单位净雨量取10mm/h。

本报告借用了《规划》报告中公式的形式，但对公式中的设计净雨雨强作了简化和修正，即改用设计暴雨历时内的平均降雨强度（）代替，这样既便于计算，又使公式符合《规范》公式的含义。

（2）成峰径流系统Ψ的确定：Ψ是由降雨到形成洪峰流量的转换系数，其中包括由降雨到净雨的转换（产流）和由净雨到洪水流量的转换（汇流）。本报告分析认为：在集水面积相等的城区和自然流域，在降雨相同的条件下，产流过程中，城区流域的产流量要大于自然流域的产流量，在洪峰流量的形成中却与产流相反，即自然流域的洪峰流量要大于城区流域。从《规范》公式中可知，其径流系数已经综合了这方面的因素，故本报告中的Ψ值按区域下垫面情况，从《规范》综合径流系数表中查出。

四、设计洪水标准及设计暴雨历时

1、设计洪水标准

东排洪渠分段设计洪峰流量的洪水标准，按防洪规划确定的洪水标准执行，即C区D区P＝3.3%（即30年一遇洪水）。

2、设计暴雨历时及设计暴雨量

根据本报告分段洪峰流量计算区域面积大小和城区暴雨特性，采用6小时的设计暴雨，计算时段为1小时，并按《水文手册》提供的短历时暴雨成果和计算方法计算，详情将在计算成果中介绍。

五、设计洪水计算

（一）八里桥水库水库入库洪水计算

八里桥水库集水24.0km2，其中5.72km2被规划为城区，尚有18.28km2为自然流域，故水库入库洪水由被规划为城区的5.72km2面积上的洪水和18.28km2的自然流域的洪水组成。由于需要调洪演算，故必须计算入库洪水的洪峰流量和洪水总量，洪水过程在调洪演算时概化为三角形。

1、自然流域洪水计算

（1）洪峰流量计算

采用《水文手册》中推理公式法推求。

1）设计暴雨推求

①设计暴雨历时及计算时段：根据《水文手册》关于设计暴雨历时及计算时段的建议，本报告设计暴雨历时取6小时，计算时段△t＝1.0小时。

②设计点雨量计算：从《水文手册》中查出流域中心处各种历时的暴雨均值和CV，采用Cs＝3.5CV，按下式计算相应历时不同频率的点雨量。

式中：—历时为t，频率为P的点暴雨量（mm）；

      —t历时的平均暴雨量（mm);

      —频率为p的模比系数。

设计点雨量经点面系数换算成面雨量，但由于计算流域面积仅18.28km2，小于20km2，根据《水文手册》规定，可不进行点面折减，将流域中心点雨量视作面雨量。

③设计暴雨计算成果，见表5—1。

表5—1    设计暴雨量计算成果表

         历时

项目	1	3	6
均值（mm)	29.0	40.0	53.0
CV	0.5	0.5	0.5
Cs/Cv	3.5	3.5	3.5
P＝3.3%暴雨量（mm）	.1	88.4	117.1

④设计暴雨时程分配：根据《水文手册》中的综合雨型，对流域内6小时雨量进行过程分配。详见表5—2

表5—2        设计暴雨时程分配成果表

暴雨历时（h）	1	2	3	4	5	6	合计
综合雨型（%）			100				100
		51.3		48.7			100
	34.7				33.5	31.8	100
P=3.3%雨量（mm）时程分配
	10.0	12.5	.1	11.8	9.6	9.0	117.1

2）设计净雨推求：

①产流量R计算：按蓄满产流概念计算，即：

产流量R＝设计雨量Htp—初损IO

Io＝Im-pa

式中Im为流域最大蓄水量，pa为设计条件下流域前期土壤含水量，根据《水文手册》，该水库位于汉江北岸，Im＝82mm

则初损值：Io＝Im-pa=27.3mm

产流量R=117.1-27.3=.8mm

②净雨过程计算：

《水文手册》中计算产流量R时，仅扣除深层地下水，计算设计净雨过程时，还应扣除潜流量，即：

设计净雨过程（ht）＝产流过程（Rt）－潜流量

本区潜流占产流总量的20%，并按产流时段平均扣除。

潜流量＝.8×20%＝18.0（mm），产流时段为4小时，平均每时段为4.5mm。

③计算结果：见5－3.

表5－3       设计净雨过程成果表

时段	1	2	3	4	5	6	合计
净雨量（mm）	0	0	54.5	7.4	5.2	4.7	71.8

3）洪峰流量计算

洪峰流量采用推理公式图解试法推求。

依据公式： 

          

式中，F、L、J—分别为计算流域的集水面积(km2）、河长（km）和比降；  

t、τ—分别为净雨历时（h）和汇流历时（h）；

—净雨历时为t的净雨强度（mm/h），即将时段净雨量由大到小依次累计（），再除以相应的历时（t）；

 m—汇流参数，m＝0.18        

计算洪峰流量的方法步骤如下：

①计算汇流参数：   

式中流域面积F＝18.28km2，河长L＝11.2km，河道比降j＝0.0087。   计算结果：m＝1.46

②按公式中计算Q—τ关系，见表5—4

表5－4              Q～τ关系表

Q（m3/s）	20	50	100	150	200	250	300
τ（h）	4.8	3.8	3.2	2.9	2.7	2.5	2.4

③按式计算～t关系见表5－5。

表5－5          ～t关系表 

历时t（h）	1	2	3	4	5	6
	54.5	61.9	67.1	71.8	71.8	71.8
	277	157	114	91	73	60.83

④绘制Q—τ与Q—t曲线，求解设计洪峰流量。见图5—1。

结果Q3.3%=112.00m3/s。

（2）洪水总量计算

1）设计净雨量法：

式中设计净雨量，流域面积，

则，（万m3)

2）经验公式法

式中流域面积，设计洪峰流量

则，（万m3)

最后选用：（万m3)。

2、城区面积洪水计算

（1）洪峰流量计算

①城区集水面积洪峰流量公式法

Ψ

本区域集水面积5.72km2，设计暴雨采用八里桥水库流域设计暴雨成果，即6小时暴雨量为117.1mm，则，成峰径流系数Ψ从《规范》综合径流系数表中查得，Ψ＝0.4，流域面积F＝5.72km2，则

②按自然流域计算

从八里桥水库除险加固设计中获得，水库集水面积24.0km2，当P＝3.3%，洪峰流量为130，本报告计算的流域面积18.28km2时，，则5.72km2的洪峰流量为：

综合比较上述两种成果，决定采用

（2）洪水总量计算

①设计净雨量法：

（万m3)。

②经验公式法

（万m3）

分析比较后，决定采用（万m3)

3、八里桥水库入库洪水计算结果

采用值如下：

入库洪峰流量

入库洪水总量（万m3)。

（二）水库下泄流量计算

水库下泄流量，根据计算的入库洪水（洪峰流量、洪水总量及洪水过程）经调洪计算后求得。

1、调洪演算依据的资料

（1）入库洪水：采用本报告计算成果，即：

入库洪峰流量

入库洪水总量（万m3)

入库洪水过程：概化三角形。

（2）库容、溢洪道泄流曲线：采用2007年12月水库除险加固主体工程实施方案设计报告中的库容曲线和新溢洪道泄流曲线，见表5—6。

表5－6   八里桥水库水位库容与改建后溢洪道泄流流量关系表

库水位（m)	水头（m）	泄流量（）	滞洪库容（万）
526.92	0	0	0
527.00	0.08	1.0	3.3
527.50	0.58	13.0	19.0
528.00	1.08	33.0	37.0
528.50	1.58	58.5	61.0
529.00	2.08	86.7	91.0
529.50	2.58	122.0	123.0
530.00	3.08	160.0	154.8

注：溢流堰顶高程526.92m     

2、调洪演算方法及结果

采用简化三角形图解法。即绘制溢洪道堰顶以上库容（V）与相应泄流量(q)的关系（即q～V）曲线，在流量坐标上截取。在库容坐标上截取万m3，作两截点的连线与q～V曲线相交，交点的流量坐标值即为p＝3.3%洪水时溢洪道的最大下泄流量，即q＝72.0m3/s。（详见图5—2）。

 (三)水库至东排入水口区间洪峰流量计算

八里桥水库以下至东排入水口区间面积7.44km2，为城区面积，洪峰流量按下式计算：

Ψ

本区域集水面积7.44km2，设计暴雨与八里桥水库流域相同，即P=3.3%,6小时暴雨量为117.1mm，＝19.5mm/h，成峰径流系数Ψ从《规范》综合径流系数表中查得，Ψ＝0.4，则

。

（四）东排入水口至东排出水口（入汉江处）区间设计洪水流量计算

东排入水口至东排出水口，区间集水面积为12.0km2，属城区范围，设计洪水标准P=3.3%（即30年一遇洪水），其洪峰流量仍采用公式3－3计算，即：

（1）该区设计暴雨计算

设计暴雨按《水文手册》提供的短历时暴雨均值及CV等值线图推求，其方法与自然流域的设计暴雨计算相同，计算结果见表5－7。

表5－7        P＝3.3%  6小时设计暴雨计算成果表

      历时                        

项目	1	3	6
均值	29	41.0	54.0
变差系数	0.5	0.5	0.5
	3.5	3.5	3.5
雨量	.1	90.6	119.3

（2）设计暴雨强度： 

（3）径流系数Ψ：该区属城区范围，根据地面情况从《规范》综合径流系数表中查得Ψ＝0.4。

（4）计算结果：将、Ψ、F代入上式 ，求得该区间洪峰流量

（五）东排出口（入汉江处）设计洪峰流量计算

东排出口处设计洪峰流量，由东排入水口洪水流量和东排入水口至东排出水口区间面积所形成的洪峰流量组成。

经计算，东排入口处设计洪峰流量为88.1m3/s，故东排出口（入汉江处）设计洪峰流量为114.7m3/s。

东排洪渠分段流量成果详情见汇总表5—8.

表5—8      东排洪渠分段流量成果汇总表

分段位置	水库溢洪道 出口	水库溢洪道至东排入水口区间	东排入水口	东排入口至出口  区间	东排出水口(入汉江处)
区域面积(km2)	24.00	7.44	31.44	12.00	43.44
洪峰流量(m3/s)	72.0	16.1	88.1	26.6	114.7
备  注	水库下泄流量

六、考虑八里桥水库入库洪水受阻因素的东排分段洪峰流量计算

八里桥水库地处汉中盆地的北边缘，位于汉江北岸支流的李子沟上，集水面积24km2，有三条主要支沟，以李子沟为最大，全长14.6km，平均比降8.7‰，其次是圪塔卡、唐家沟，源短沟窄。流域内有黎明、庙沟、马堰沟、狮子头等小（二）型水库4座，水库详情见表6—1。集水面积10.5km2，截止目前已淤积96万m3，对沟道洪水拦蓄作用甚小，因此八里桥入库洪水计算不考虑4座小（二）型水库的调蓄作用。

表6—1   八里桥水库上游4座小（二）型水库情况统计表

水库名称	所在乡镇	集水面积(km2）	坝高(m)	总库容(万m3)	淤积库容（万m3）
黎明	武乡	1.9	11.1	36.3	19.48
庙沟	武乡	0.4	15.5	31.5	18.57
马堰沟	武乡	7.0	15.3	.1	52.79
狮子头	武乡	1.2	9.0	20.0	5.16
合计	武乡	10.5		176.9	96.0

八里桥水库流域呈长条形，上窄下宽，平均宽1.5km，是长度的十分之一。流域内有石门水库的东干渠和南干渠自西向东横贯，对入库洪水起控制作用的是石门水库南干渠（原褒河渠的东干渠），该渠于八里桥水库入库口以北不远处自西向东穿过，为给八里桥水库入库洪水留以通道，在石门南干渠与水库三条支沟相交处，修建了过水涵洞，这三处涵洞是洪水进入八里桥水库的通道，它的过洪能力（能通过的最大流量）对水库的最大入库洪水流量起着控制作用。

1、入库洪水计算

在考虑石门水库南干渠对八里桥水库入库洪水的阻碍因素后，其入库洪峰流量应为南干渠三个涵洞的最大泄水流量与涵洞至水库区间面积上的流量之和。

南干渠三处过水通道均为顶部呈拱形，下部为矩形的涵洞，其过水断面尺寸见表6—2。经计算，三处涵洞最大可下泄流量37.1m3/s。

表6—2  八里桥水库上游石门南干渠涵洞断面尺寸统计表

涵洞编号		1	2	3	合计
断面尺寸（m)	宽×高	0.8×1.4	2.4×1.1	0.3×1.4
	拱高	0.4	1.2	0.15
最大过水面积(m3)		1.37	4.9	0.45	6.72
最大过水流量(m3/s)		7.56	27.3	2.24	37.1

南干渠涵洞至水库区间面积约4.0km2，当P＝3.3%时其洪峰流量为8.7m3/s。则设计条件（P＝3.3%）下，八里桥水库入库洪峰流量＝37.1+8.7＝45.8（m3/s）

（2）入库洪水总量计算。

石门水库南干渠底部过水涵洞因泄洪能力有限（最大可下泄37.1m3/s），对进入八里桥水库的洪水起了拦蓄作用，使洪峰流量减小，洪水历时增长，但洪水总量不变，即仍为172.4万m3。

2、水库下泄流量计算

采用受石门水库南干渠涵洞调节后的八里桥水库入库流量＝45.8m3/s和入库洪量＝172.4万m3进行调洪演算（方法同前）求得水库最大下泄流量： 

3、东排分段洪峰流量计算

在八里桥水库入库洪水受石门水库南干渠过水涵洞削峰作用的情况下，东排分段洪峰流量量计算只是八里桥水库下泄流量发生了变化，在不考虑石门南干渠阻水时，下泄流量m3/s，考虑后m3/s，其他区域计算的洪峰流量数值未变。故P＝3.3%时，东排入水口洪峰流量为49.1m3/s，出水口（入汉江处）洪峰流量为75.7m3/s，详情见表6—3。

表6—3  考虑石门水库南干渠阻水因素后东排分段洪峰流量计算成果表

分段位置	水库溢洪   道出口	水库溢洪道至东排入水口区间	东排入水口	东排入口至出口  区间	东排出水口(入汉江处)
区域面积(km2)	24.00	7.44	31.44	12.00	43.44
洪峰流量(m3/s)	33.0	16.1	49.1	26.6	75.7
备  注	水库下泄流量