無(wú)資料地區(qū)流域設(shè)計(jì)洪峰流量分析計(jì)算

李仲明（中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢(xún)西北有限公司　陜西　西安　710075）

無(wú)資料地區(qū)流域設(shè)計(jì)洪峰流量分析計(jì)算

李仲明
（中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢(xún)西北有限公司陜西西安710075）

無(wú)實(shí)測(cè)資料的小流域洪峰流量計(jì)算方法有洪峰流量匯水面積相關(guān)法、綜合參數(shù)法、經(jīng)驗(yàn)公式法、推理公式法及綜合經(jīng)驗(yàn)單位線(xiàn)法等。以羊圈溝流域?yàn)槔紤]流域多方面因素，采用洪峰流量匯水面積相關(guān)法、綜合參數(shù)法兩種方法分別計(jì)算不同頻率下設(shè)計(jì)洪峰流量，并對(duì)兩種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，旨在論證洪峰流量計(jì)算方法所適應(yīng)的流域特征、洪水特性以及資料條件。

無(wú)資料地區(qū)；設(shè)計(jì)洪峰流量；匯水面積相關(guān)法；綜合參數(shù)法

中小流域的洪水估算主要是估算洪峰流量，主要用于設(shè)計(jì)涵洞、中小型橋梁、堤防及其他排水工程、小型閘壩、溢洪道及水土保持工程等［1］。中小河流設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算方法很多，可以由流量資料推求設(shè)計(jì)洪水，也可以由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水。但在小流域中很少設(shè)有水文站，項(xiàng)目區(qū)往往缺乏實(shí)測(cè)的流量資料或暴雨洪水系列資料，因此常采用經(jīng)驗(yàn)公式法、推理公式法、地區(qū)綜合法、綜合經(jīng)驗(yàn)單位線(xiàn)法以及水文模型法等計(jì)算小流域的設(shè)計(jì)洪水［2］。設(shè)計(jì)洪峰流量是確定城鎮(zhèn)、河道及水利工程等防洪安全的重要依據(jù)，洪峰流量的推求對(duì)堤防的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)影響較大，為了能夠更好地計(jì)算得到合理的設(shè)計(jì)洪峰流量，應(yīng)該采用多種方法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)結(jié)合實(shí)際進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證。因此，研究無(wú)資料地區(qū)小流域設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算方法具有重大意義。

延安市寶塔區(qū)的羊圈溝流域面積2.02km2，該流域地處黃河中游區(qū)，為碾莊溝流域的一級(jí)支溝，延河流域的二級(jí)支溝。地貌類(lèi)型為黃土梁和黃土溝，相對(duì)高差達(dá)225m，溝谷密度為2.74km/km2，坡度為10°～30°，屬典型黃土丘陵溝壑區(qū)。參照《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》的要求，采用面積比擬法的條件是所求流域與測(cè)站面積不超過(guò)±20%，兩者自然地理?xiàng)l件比較一致，同水域一個(gè)水文氣象分區(qū)。羊圈溝無(wú)水文氣象資料，流域面積很小，根據(jù)以上分析不能采用面積比擬法，綜合考慮，采用洪峰流量的經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中洪峰流量的經(jīng)驗(yàn)公式，無(wú)實(shí)測(cè)資料的小流域洪峰流量計(jì)算方法有洪峰流量匯水面積相關(guān)法和綜合參數(shù)法。本文采用這兩種方法計(jì)算羊圈溝流域洪峰流量，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

1　洪峰流量匯水面積相關(guān)法

通常流域面積F＜1000km2的中小流域設(shè)計(jì)洪峰流量與流域面積存在指數(shù)關(guān)系。根據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》，對(duì)于無(wú)資料地區(qū)，洪峰流量匯水面積相關(guān)法［3］是計(jì)算洪峰流量最簡(jiǎn)單的一種方法。需要已知設(shè)計(jì)流域面積F和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)K，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)查表得到，見(jiàn)表1。其經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：QN——重現(xiàn)期為N的設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；

F——設(shè)計(jì)流域面積，km2；

KN、n——重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

根據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式分布區(qū)圖，延安市寶塔區(qū)的羊圈溝流域區(qū)域?qū)俚湫忘S土丘陵溝壑Ⅱ區(qū)，建立洪峰流量的經(jīng)驗(yàn)公式所選經(jīng)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表1　　洪峰面積相關(guān)公式參數(shù)表

表2　QN經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)KN、n值表

2　綜合參數(shù)法

根據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》，綜合參數(shù)法［4］是以小流域內(nèi)設(shè)計(jì)暴雨量和流域特征參數(shù)為基礎(chǔ)而建立的多因子經(jīng)驗(yàn)公式。用經(jīng)驗(yàn)公式推算設(shè)計(jì)成果時(shí)，一般應(yīng)先分析經(jīng)驗(yàn)公式的適用條件，然后研究是否可用于設(shè)計(jì)流域。盲目機(jī)械地搬用經(jīng)驗(yàn)公式常會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。

（1）

（2）

式中：QmN——重現(xiàn)期為N的洪峰流量，m3/s；

F——設(shè)計(jì)流域面積，km2；

L——主溝長(zhǎng)度，km；

H3N——設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為N的3小時(shí)面雨量，mm；

C，α，β，γ，η——分區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)指數(shù)，見(jiàn)表3。

對(duì)于設(shè)計(jì)面暴雨計(jì)算，根據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》要求，由設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量求得設(shè)計(jì)面暴雨，中小流域一般采用點(diǎn)面系數(shù)法。其公式為：

表3　　分區(qū)參數(shù)指數(shù)表

（3）

式中：αt——?dú)v時(shí)為t的暴雨點(diǎn)面關(guān)系；

F——設(shè)計(jì)流域面積，km2；

at、bt——線(xiàn)性擬合參數(shù)，其參數(shù)值見(jiàn)表4。

表4　at、bt線(xiàn)性擬合參數(shù)值表

在求得設(shè)計(jì)點(diǎn)面暴雨量和點(diǎn)面系數(shù)后，采用下面公式求得平均設(shè)計(jì)面暴雨量。其公式為：

（4）

式中：Ht面——設(shè)計(jì)歷時(shí)為t的流域面積平均雨量，mm；

Ht——設(shè)計(jì)歷時(shí)為t的點(diǎn)暴雨量，mm；

αt——設(shè)計(jì)歷時(shí)為t的暴雨點(diǎn)面系數(shù)。

3　計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

（1）采用洪峰流量匯水面積相關(guān)法計(jì)算洪峰流量結(jié)果

按洪峰流量匯水面積相關(guān)法計(jì)算公式推求設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　不同頻率洪峰流量計(jì)算成果表單位：m3/s

采用洪峰流量匯水面積相關(guān)法計(jì)算，是以重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)K和設(shè)計(jì)流域面積F的n次冪來(lái)推算的，頻率為3.3%時(shí)，洪峰流量為53.74m3/s；頻率為5%時(shí)，洪峰流量為47.60m3/s；頻率為10%時(shí)，洪峰流量為38.39m3/s。

（2）采用綜合參數(shù)法計(jì)算洪峰流量結(jié)果

采用點(diǎn)面關(guān)系求得歷時(shí)3h的平均面暴雨量，首先求點(diǎn)面系數(shù)，根據(jù)at、bt線(xiàn)性擬合參數(shù)值表選定參數(shù)。

根據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中“年最大3小時(shí)點(diǎn)雨量均值等值線(xiàn)圖”查得羊圈溝流域年最大3h點(diǎn)雨量均值H3=35. 7mm。則設(shè)計(jì)歷時(shí)為3h的流域面積平均暴雨量為：

依據(jù)《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中“年最大3小時(shí)點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cv等值線(xiàn)圖”查得羊圈溝流域年最大3小時(shí)點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cv=0.58，CS=3.5Cv。再根據(jù)離均系數(shù)公式H3N=Ht面（1+CvΦ），由P-III型曲線(xiàn)頻率曲線(xiàn)Φ值表查得不同保證率對(duì)應(yīng)的Φ值，從而求得不同保證率對(duì)應(yīng)的面暴雨量H3N值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　　不同保證率下最大3小時(shí)面雨量計(jì)算表

采用綜合分析法計(jì)算公式求得設(shè)計(jì)洪峰流量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7不同頻率洪峰流量計(jì)算成果表單位：m3/s

采用綜合參數(shù)法計(jì)算洪峰流量，頻率為5%時(shí)，洪峰流量為40.31m3/s；頻率為10%時(shí)，洪峰流量為33.92m3/s。

洪峰流量匯水面積相關(guān)法屬于經(jīng)驗(yàn)公式，是以設(shè)計(jì)流域面積與重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來(lái)推算羊圈溝流域不同頻率設(shè)計(jì)洪峰流量。根據(jù)面積小重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)大的規(guī)律，該方法計(jì)算結(jié)果略偏小。綜合參數(shù)法屬于半推理半經(jīng)驗(yàn)的概念性模型，該方法假定由暴雨形成洪水的環(huán)節(jié)全流域一致（平均），這與實(shí)際有一定偏差。該方法對(duì)羊圈溝流域設(shè)計(jì)斷面設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行計(jì)算時(shí)，由于流域區(qū)域的氣候因素、自然地理因素及下墊面條件同較大流域面積上的平均情況有出入，即流域面積越小影響因素越復(fù)雜，因此對(duì)洪峰流量計(jì)算結(jié)果影響較大。同時(shí)在計(jì)算面暴雨量時(shí)，采用了《延安地區(qū)實(shí)用水文手冊(cè)》中“年最大3小時(shí)點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cv等值線(xiàn)圖”，對(duì)面暴雨量求得也存在誤差，由于綜合參數(shù)法公式復(fù)雜，從而使得每一步計(jì)算都有誤差。因此采用綜合參數(shù)法計(jì)算洪峰流量有一定的誤差。并且該方法設(shè)計(jì)流域面積F的參數(shù)指數(shù)要比洪峰流量匯水面積相關(guān)法的參數(shù)指數(shù)n要小，設(shè)計(jì)流域面積一定，因此綜合參數(shù)法計(jì)算結(jié)果偏小。

綜合以上，采用洪峰流量匯水面積相關(guān)法計(jì)算的洪峰流量結(jié)果較綜合參數(shù)法計(jì)算洪峰流量結(jié)果略大。但是兩種方法的計(jì)算結(jié)果比較接近，從設(shè)計(jì)安全角度及計(jì)算過(guò)程產(chǎn)生的誤差等多種因素綜合考慮，選擇洪峰流量匯水面積相關(guān)法計(jì)算的洪峰流量結(jié)果。

4　結(jié)語(yǔ)

中小流域多數(shù)都缺乏實(shí)測(cè)水文資料，因此推求中小流域設(shè)計(jì)洪峰流量一直是設(shè)計(jì)中小流域水利工程中的一個(gè)難點(diǎn)。在無(wú)實(shí)測(cè)徑流資料或?qū)崪y(cè)徑流資料很少時(shí)，對(duì)于流域洪峰流量的計(jì)算主要通過(guò)洪峰流量匯水面積相關(guān)法、推理公式法、水文比擬法和綜合參數(shù)法。本次采用洪峰流量匯水面積相關(guān)法和綜合參數(shù)法，通過(guò)羊圈溝小流域設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算，反映出對(duì)于陜西省部分無(wú)資料地區(qū)，小流域洪峰流量計(jì)算，應(yīng)該重點(diǎn)放在對(duì)多種計(jì)算結(jié)果的合理分析與選取，以及計(jì)算結(jié)果需要結(jié)合當(dāng)?shù)亓饔虻膶?shí)際情況進(jìn)行可靠性的驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)一系列的可靠性及可行性分析，才能給出一個(gè)合理的計(jì)算結(jié)果。陜西水利

［1］張建云，李紀(jì)生，等譯.水文手冊(cè)［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

［2］茹樹(shù)青.中小河流河道治理工程設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算方法的分析 ［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2014，（2）:36-38.

［3］康靜靜.淺析無(wú)資料地區(qū)河道洪峰流量推求［J］.陜西水利，2014，（5）:1-3.

［4］周京武.無(wú)資料區(qū)設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算方法適用分析—以新疆鐵門(mén)關(guān)市防洪工程為例［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2014，20（5）:47-48.

（責(zé)任編輯：李蕊）

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