華東地區(qū)小流域設計洪水計算方法探討

石 煒，徐永波，陳 娟，許廣東

（1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇淮安223005；2.江蘇省水文局宿遷分局，江蘇宿遷223800）

華東地區(qū)小流域設計洪水計算方法探討

石 煒1，徐永波1，陳 娟1，許廣東2

（1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇淮安223005；2.江蘇省水文局宿遷分局，江蘇宿遷223800）

通過分析小流域設計洪水計算的3種方法，以推理公式為主、輔以華東地區(qū)特小流域參數(shù)法、瞬時單位線法印證，進行橫向比較分析，尋找簡便適用的計算方法。

特小流域；設計洪水；計算方法

1 小流域特點

小流域設計洪水計算，與大中流域相比，有許多特點，并且廣泛應用于鐵路、公路的小橋涵、中小型水利工程、農(nóng)田、城市及廠礦排水等工程的規(guī)劃設計中，因此水文學上常常作為一個專門的問題進行研究。

小流域設計洪水計算的主要特點是：①絕大多數(shù)小流域都沒有水文站，缺乏實測徑流資料，甚至降雨資料也沒有。②小流域面積小，自然地理條件趨于單一，擬定計算方法時，允許作適當?shù)暮喕梢宰鞒鲆恍└呕募俣ā＠缂俣ǘ虤v時的設計暴雨時空分布均勻。③小流域分布廣、數(shù)量多。因此，所擬定的計算方法，在保持一定精度的前提下，將力求簡便，一般借助水文手冊即可完成。④小型工程一般對洪水的調(diào)節(jié)能力較小，工程規(guī)模主要受洪峰流量控制，因此對設計洪峰流量的要求，高于對洪水過程線的要求。

2 小流域設計洪水的計算方法及原理

華東地區(qū)常用的設計洪水計算方法有以下3種：綜合瞬時單位線法、推理公式法和華東地區(qū)特小流域參數(shù)法。

（1）瞬時單位線法。基本假定是設凈雨過程相當于流域入流，經(jīng)過一系列n個相同的線性水庫調(diào)蓄作用，形成出口斷面的徑流過程。根據(jù)匯流參數(shù)選擇時段單位線，乘于各時段的地表凈雨及面積，并逐段相錯一個時段進行疊加即得地表洪水過程線。

（2）推理公式法。計算原理是先把流域的產(chǎn)流、匯流條件均化、概化后，根據(jù)水流的連續(xù)方程和運動方程聯(lián)立求解，推導出流域出口斷面洪峰流量的計算公式。確定穩(wěn)定入滲率fc值，用fc值將各時段的凈雨分割成地表和地下凈雨2部分，由設計流域的特征參數(shù)推求m值，通過繪制Qm～τ（Ⅰ～Ⅰ線）和Qm～t（Ⅱ～Ⅱ線）2條關系曲線，求得設計地表洪峰流量；將計算得到的地下洪峰流量，按照等腰三角形分配，即得設計地下洪峰流量。地表和地下洪峰流量相加就是所求的設計洪峰流量。

圖1 Qm～τ（Ⅰ～Ⅰ線）和Qm～t（Ⅱ～Ⅱ線）關系曲線

（3）華東特小流域參數(shù)法。該方法由華東電力設計院與水科院水資源所王維新等人根據(jù)特小流域雨洪的特性，應用推理公式的基本理論，經(jīng)過大量分析華東地區(qū)的許多測站洪水特征，探求特小流域的雨洪特性和參數(shù)變化規(guī)律，根據(jù)地區(qū)流域下墊面類型，因地制宜地將各流域的洪水參數(shù)分成5類，分別建立各種類型的洪水參數(shù)計算公式，從而推求出洪峰流量的設計方法。

3 小流域設計洪水計算方法的應用和比較

3.1 工程實例

以筆者參加的福建省某沿海山丘區(qū)排澇規(guī)劃為例，用不同方法分別計算區(qū)內(nèi)各支流20年一遇設計洪峰流量。

本流域及其3條支流的流域特征參數(shù)見表1。

表1 各分區(qū)流域特征參數(shù)

該流域缺乏實測雨量資料，根據(jù)地區(qū)暴雨等值線圖集查得H1，5%=85.2mm、H6，5%=172.6mm，H24，5%=235.2mm，該區(qū)域下滲能力約3.5mm/h。

3.1.1 推理公式法

基本計算公式如下：

式中：Q—地表洪峰流量，m3/s；h—匯流歷時內(nèi)最大凈雨量，mm；F—流域面積，km2；τ—匯流時間，h；L—自計算斷面起沿主河道至分水嶺的距離，km；J—沿流程L的平均比降，‰；θ、m—匯流參數(shù)。

經(jīng)過復核計算，各支流設計洪峰流量成果見表2。

表2 福建省推理公式法計算洪峰成果

3.1.2 華東地區(qū)特小流域參數(shù)法

華東特小流域參數(shù)法基本原理與福建省推理公式法一樣，只是匯流參數(shù)不同，根據(jù)華東特小流域參數(shù)分類，本流域以旱地、荒草坡為主兼有稀疏灌木林（夾有雜草）、幼林、經(jīng)濟林。土層較薄，巖石裸露明顯。河道兩岸草木稀少，有少量塘壩、魚鱗坑等間歇性水流，屬于下墊面第Ⅲ類，θ、m計算公式如下：

經(jīng)過復核計算，各流域設計洪峰流量成果見表3。

3.1.3 瞬時單位線法

計算公式如下：

福建沿海地區(qū)：

式中：u（o，t）—瞬時單位線縱標；Γ（n）—n階的伽馬函數(shù)；t—時間，h；n—相當于水庫數(shù)或調(diào)節(jié)次數(shù)；k—調(diào)蓄系數(shù)，相當于流域匯流時間的參數(shù)；m1—瞬時單位線滯時參數(shù)，亦稱瞬時單位線1階原點矩；m1，i=10—降水量為10mm時的瞬時單位線1階原點矩。

經(jīng)過復核計算，各流域設計洪峰流量成果見表4。

表4 瞬時單位線法計算洪峰成果

3.2 不同方法計算成果比較

3種方法計算成果對比見表5。

表5 不同面積洪峰成果對比m3/s

圖2 面積-洪峰關系

根據(jù)表5中3種方法計算成果，當流域面積在10km2以下推理公式法與華東地區(qū)特小流域參數(shù)法成果相當，瞬時單位線法偏小；隨著流域面積增大，華東特小流域參數(shù)法成果開始偏小，線性突變轉(zhuǎn)折，誤差也逐漸增大；瞬時單位線法斜率幾乎沒有變化；而推理公式法斜率略變平緩，符合排澇模數(shù)隨著面積增大而減小的客觀規(guī)律。

不同流域面積，計算成果差別較大，主要原因是3種方法參數(shù)率定側(cè)重點不同，造成適用范圍有差別。

華東特小流域參數(shù)法，針對的是華東地區(qū)小于特小流域（＜10km2）的洪水計算，華東電力設計院和水科院水資源所建立了各種類型洪水參數(shù)m的計算公式，對華東地區(qū)95個測站的845場洪水做了分析和研究，統(tǒng)計數(shù)據(jù)中10km2以下的洪水場次占總數(shù)的52.5%；10～30km2占30.8%，30～50km2占16.7%，所以其參數(shù)對于30km2以上流域適用性相對較弱；推理公式參數(shù)法，由各省水文局根據(jù)本省內(nèi)下墊面條件，并結(jié)合大量的實測洪水資料率定而來，主要適用于200km2以下流域的計算；瞬時單位線法則比較適合于集雨面積在200～1000km2的流域，小流域洪水相對偏小。

4 結(jié)語

綜上所述，筆者認為在華東地區(qū)小流域設計洪水計算時，若無水文資料或資料極短缺，僅用一種方法來推求，從可信度來說，顯得不客觀。因此建議以本地推理公式法為主，當小流域面積小于50km2時采用華東特小流域參數(shù)法驗證，當流域面積在50～200km2之間時，采用瞬時單位線法驗證，從而提高計算成果精度，滿足使用要求。

［1］王維新，周憲莊，張恭肅，等.華東地區(qū)特小流域洪水參數(shù)研究［J］.水文，1989（04）.

［2］陳家琦，張恭肅.小流域暴雨洪水計算［M］.北京：水利電力出版社，1985.

［3］福建省水文局.福建省暴雨徑流查算圖表.

TV877

A

1672-2469（2015）12-0029-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.012

石 煒（1981年—），男，高級工程師。