張家口小流域洪峰流量計算方法的探析

王寧娟

（河北省水利水電勘測設計研究院，石家莊050081）

張家口小流域洪峰流量計算方法的探析

王寧娟

（河北省水利水電勘測設計研究院，石家莊050081）

目前，張家口地區許多工程所在的小流域內沒有水文測站和水文資料。為了更好服務于工程設計，分析了張家口地區無實測暴雨徑流資料的小流域內設計洪峰流量的計算方法及其優缺點，并給出了適合該地區的計算方法及建議適用范圍。

張家口；小流域；洪峰流量

1 基本情況

張家口位于河北省西北部，地處京、冀、晉、蒙四省市交界處，南北長289.2km，東西寬216.2km，總面積3.68萬km2。目前，張家口市轄7區13縣，地勢西北高、東南低，陰山山脈橫貫中部，將張家口市劃分為壩上、壩下兩個不同的地貌單元——壩上高原區和壩下低中山盆地。張家口屬于溫帶大陸性季風氣候，境內河流分屬5大水系，即大清河水系、潮白河水系、灤河水系、永定河水系、內陸河水系。張家口水文局共下設水文站15處，水位站1處，雨量站212處，蒸發站7處，水情報汛站89處，地下水觀測站89處，水環境監測站55處。目前，張家口地區許多工程所在的小流域內是沒有水文測站和水文資料的。為了更好的服務于工程設計，本文探討分析了張家口地區無實測暴雨徑流資料的小流域內設計洪峰流量的計算方法及其優缺點，并給出了不同方法的建議適用范圍。

小流域一般指集水面積不超過1000km2的小河流，小流域設計洪水是水利、交通、鐵路、城鎮和工礦企業防洪工程中廣泛遇到的問題，其主要特點是：①實測暴雨徑流資料短缺，甚至無降雨資料，各種計算方法中有關的參數都需通過地區綜合分析確定；②流域面積小，自然地理條件趨于單一，擬定計算方法時，允許適當簡化，即作一些概化和假定等。

張家口地區無實測暴雨徑流資料的小流域設計洪水，《河北省張家口市水文水資源手冊》（1998年，以下簡稱《手冊》）中推薦由暴雨途徑間接推算設計洪水。其中關于洪峰流量的推求，《手冊》給出了經驗公式法和推理公式法兩種方法；并說明了經驗公式主要適用于集水面積100～1000km2的區域，對于更小的流域，如果沒有其他方法可用，適用范圍也可適當向下外延，但最小不能小于20km2。根據SL44-2006《水利水電工程設計洪水計算規范》（以下簡稱《規范》），流域面積在300km2以下的地區可采用推理公式進行匯流計算。

為分析張家口地區無實測暴雨徑流資料的小流域設計洪水適宜的洪峰流量計算方法，考慮到經驗公式和推理公式對面積的要求，對7個流域進行了相應計算，同時對于推理公式分別考慮了《手冊》和《規范》中推薦的產匯流計算方法。

2 不同方法的對比

2.1 流域特征值

考慮到計算方法對面積的要求，針對7個不同面積的流域，分別采用經驗公式和推理公式進行洪峰流量的計算，其流域特征值如表1。

表1 流域特征值

2.2 設計洪峰流量計算

由于所選流域無實測流量資料，故設計洪水通過暴雨途徑進行計算。由暴雨途徑間接推算設計洪水，包括設計暴雨、產流計算和匯流計算3個環節。

2.2.1 設計暴雨

2.2.1.1 設計暴雨統計參數

小流域設計暴雨歷時采用24h，根據《手冊》中不同歷時暴雨均值H和變差系數Cv等值線圖，查得流域中心暴雨特征值，為了進行對比分析，設計暴雨參數皆采用表2值，不再進行折減。

表2 流域暴雨統計參數

2.2.1.2 設計雨型

設計雨型是指暴雨在時間上的分配過程，雨型直接影響到洪水過程和洪峰流量的計算。

根據《規范》，同時結合河北省實際情況，在2000年進行南水北調中線工程初步設計水文分析時，確定了對中小面積交叉河流24h設計雨型統一選用“63·8”暴雨橫山嶺站雨型，橫山嶺雨型主雨位屬后位，即最大1h雨位位于第17位，比較安全。

《手冊》中沒有使用雨型，而是直接用以表2基礎計算出的設計暴雨，在雙對數紙上繪制H～t曲線，內插出1～24h的雨量，作為雨量過程。

2.2.2 產流計算

降雨扣除截留、填洼、下滲、蒸發等損失后，剩下的部分稱為凈雨，凈雨最后轉化為徑流。降雨轉化為凈雨的過程為產流過程，產流計算即推算設計凈雨過程。

根據《規范》，同時結合河北省實際情況，凈雨過程的推求采用初損—平均后損法計算，平均后損值主要根據流域下墊面特性選定，參考河北省南水北調中線工程初步設計水文成果，本次分別選取了平均后損值（穩滲）為3mm/h和5mm/h兩種情況進行扣損。計算時由時段面雨量減平均后損值，然后從最末時段向前累加凈雨深，直至與總徑流深相等為止，其余部分為初損。總徑流深則由次暴雨P～徑流R關系查得。

《手冊》中產流計算過程是用前面所提到的1～24h的雨量過程，直接查次暴雨P～徑流R關系，從而得到不同歷時的面雨量對應的凈雨深。

2.2.3 匯流計算

對于洪峰流量的推求，《手冊》中的經驗公式法和推理公式法，適用范圍最小不能小于20km2。《規范》中的推理公式適用于流域面積在300km2以下的地區。

2.2.3.1 經驗公式法

公式基本形式如下：

2.2.3.2 推理公式法

公式基本形式如下：

式中 Qm為洪峰流量（m3/s）；h為在全面匯流時代表相應于τ時段的最大凈雨，在部分匯流時代表單一洪峰的凈雨（mm）；F為流域面積（km2）；τ為流域匯流歷時（h）；m為匯流參數；L為沿主河道從出口斷面至分水嶺的最長距離（km）；J為沿流程L的平均比降（以小數計）。

其中，匯流參數作為推求設計洪峰的重要因子，河北省在南水北調中線工程初步設計時對其進行了專門研究，并應用于水文計算中m=0.7θ0.137，《手冊》中m=0.9θ0.35，其中θ=L/J1/3。 7個流域的匯流參數m值計算結果見表3。

表3 匯流參數m值比較

2.2.4 計算成果

為了分析張家口地區無實測暴雨徑流資料的小流域設計洪水適宜的洪峰流量計算方法，考慮到經驗公式和推理公式對面積的要求，用同樣的暴雨參數對7個流域進行了50年一遇設計洪峰流量的計算，同時對于推理公式分別考慮了手冊和規范中推薦的產匯流計算方法。對比結果如表4。

表4 不同流域50年一遇設計洪峰流量成果對比 單位：m3/s

2.3 適用方法的探析

從不同方法的計算過程以及計算結果，同時結合實際工程經驗來看，張家口地區小流域洪峰流量計算方法探討分析如下:

（1）從產流計算過程來看，《手冊》中產流計算沒有考慮雨型，并且利用次暴雨P～徑流R關系查得不同歷時的面雨量對應的凈雨深，計算過程不符合河北省實際資料情況和規范規定。

（2）從匯流參數m值來看，《手冊》中m值公式計算得出的結果遠超出規范范圍，不符合規范的規定。省南水北調m值公式計算得出的結果即符合我省小流域實際情況，又符合規范的規定。

（3）從計算面積來看，流域面積接近100～1000km2的區域，經驗公式與推理公式規范初損后損法、省m值公式計算的結果基本吻合；面積較小的流域，經驗公式計算的成果已經失真。這也印證了《手冊》中經驗公式的適用范圍。

（4）從計算結果來看，流域面積在經驗公式與推理公式都適用的范圍之內（100～300km2），經驗公式與推理公式規范初損后損法、省m值公式、穩滲為5mm/h的計算結果基本吻合。

3 結語

為了更好的服務于工程設計，本文探討分析了張家口地區無實測暴雨徑流資料的小流域設計洪峰流量的計算方法及其優缺點，得出結論與建議如下：①流域面積約為100～1000km2的區域，可以使用經驗公式；當流域面積小于100km2，經驗公式計算的成果已經失真，此時建議使用推理公式規范初損后損法、省m值公式、穩滲為5mm/h的計算方法；②流域面積小于300km2的區域，建議使用推理公式規范初損后損法、省m值公式、穩滲為5mm/h的計算方法。

［1］河北省張家口水文水資源勘測局.河北省張家口市水文水資源手冊［R］.1985.

［2］SL44—2006，水利水電工程設計洪水計算規范［S］.

［3］河北省水利廳勘測設計院，河北省水文總站.河北省中小流域設計暴雨洪水圖集［R］.1985.

［4］河北水利水電勘測設計研究院.南水北調中線工程總干渠漳河北～北拒馬河中支南渠段初步設計水文分析報告［R］.2000.

［5］季學武，王俊，等.水文分析計算與水資源評價［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

The analysis of flood peak flow calculation method in small project watershed in Zhangjiakou

WANG Ning-juan
（Hebei Research Institute of Investigation ＆ Design of Water Conservancy ＆ Hydropower，Shijiazhuang 050081，China）

Up to now， many small project watershed have no hydrological station and data in Zhangjiakou region.In order to service the engineering design better，this paper analysis the calculation method for designing flood peak flow in ungauged small basins，and gives the suitable methods and its scope of application finally.

Zhangjiakou；small watershed；flood peak flow

TV122

B

1672-9900（2015）06-0019-04

2015-09-06

王寧娟（1983-），女（漢族），河北寧晉人，工程師，主要從事水文規劃工作，（Tel）13722793266。