深圳市小流域河流洪峰流量的量級化分析

鄧超聯，吳亞楊

(1.深圳市廣匯源水利勘測設計有限公司，廣東 深圳 518020； 2.國家電投集團廣西興安風電有限公司，廣西 桂林 541300)

河流的防洪安全是水務工作的重點，河流洪峰流量計算是水利設計項目的關鍵一環。在缺乏實測流量資料情況下，水利設計工作中常采用暴雨資料推求設計洪水方法[1- 2]，廣東省水利設計主要有綜合單位線法、推理公式法和廣東省洪峰流量經驗公式法[1]。在實際應用中，三種方法所需的數據及計算方法有所差別，綜合單位線及推理公式方法需要輸入各歷時(1/6h、1h、6h、24h、72h)暴雨參數及相關地理參數(流域面積、河長、河道比降)經產匯流理論計算設計洪水，而經驗公式方法僅需要24h暴雨參數及相關地理參數通過簡單公式計算設計洪水。一般而言，計算參數越多，需要資料則越多。雖能反映流域的地域特性，但由于計算相對復雜，且各參數取值差異性較大，從而導致計算結果的不確定性增大[3- 4]。因此，在具體工程計算中如何選用方法至關重要，使計算成果既簡便又符合設計精度要求。

根據《深圳市2016年水務統計手冊》[5]統計數據，深圳市集雨面積大于1km2的河流共計310條(如茅洲河、觀瀾河、龍崗河、坪山河、深圳河)，1～10km2的小河流241條[4](如牛湖水、鵝公嶺河、木古河、石溪河)，兩者之比為77.7%，小河流占比較大。而小流域設計洪水時，綜合單位線及推理公式方法必須量測流域特征指標[6]，如坡降和河長，或需要超短歷時(1/6h)暴雨資料，由于工程條件限制或超短歷時暴雨資料缺乏，上述兩種方法在使用中受到一定程度限制。另外，經驗表明，采用綜合單位線方法計算小流域洪峰流量結果偏大。按照《廣東省暴雨徑流使用手冊》[3]，除水庫工程外，集雨面積小于10km2的其它工程，可采用洪峰流量經驗公式。因此，結合實際情況，廣東省洪峰流量經驗公式是最適合的推算深圳市河流洪峰流量的方法之一，具有廣泛性、實用性和便捷性。

因此，文章以深圳市10km2以下的河流為研究對象，利用既與洪峰流量相關性最大又容易獲得的計算參數，如集雨面積、降雨量等，開展河流洪峰流量成果的量級化分析研究，從而在驗證洪峰流量計算成果合理性方面有直觀的判斷，并應用于深圳市實際工程設計中。

1 設計洪水計算方法

1.1 原理

《廣東省洪峰流量經驗公式》的計算方法適用于除水庫工程外、集雨面積小于10km2的水利工程，其綜合圖解試錯法和最小二乘法確定參數[3- 4]。其形式有兩種，一種引入參數θ=L/J1/3反映河流的匯流因素[4][7]的形式，見公式(1)和(2)，另一種考慮較難量取河長L及河流平均坡降J時選用的形式，見公式(3)。

C1洪峰經驗公式：

QP=C1H24PF0.84/θ0.15

(1)

θ=L/J1/3

(2)

C2洪峰經驗公式：

QP=C2H24PF0.84

(3)

式中，QP—洪峰流量，m3/s；C1、C2—隨頻率而異；H24P—相應頻率24h暴雨值，mm；F—集雨面積，km2；θ—河流的匯流因素；L—河流長度，km；J—河流平均坡降。考慮小型工程對流域特征值中的河長L—河流平均坡降J值資料難以量取，為計算簡便，常采用公式C2，故文章計算洪峰流量時采用C2公式。

表1 廣東省洪峰經驗公式C1、C2隨頻率的取值

一般情況下，當集水區域內中小型水庫控制面積超過本工程集水面積15%時，必須考慮洪水的地區組成[3]。在實際工作中為偏安全考慮可忽略水庫調蓄能力不進行洪水組合，一方面深圳市小型水庫眾多，64座小(1)型水庫和83座小(2)型水庫，水庫的調蓄能力不高；另一方面深圳市水庫下游和河流周邊的區域人口密集，防洪壓力大，工程設計時較多偏安全考慮。因此，文章計算河流洪峰流量時不考慮洪水組成工況，按天然情況進行計算。

1.2 計算步驟

(1)計算流域集雨面積值F。利用地形圖勾畫河流各斷面以上的流域面積，當F<10km2時，可采用C2洪峰經驗公式。

(2)推算相應頻率24h暴雨值H24P。分析河流附近滿足“三性”(代表性、可靠性和一致性)的雨量站獲得24h暴雨均值H24和變差系數CV；若無，則參考其所屬的9大流域雨量成果資料。利用CS=3.5CV，求得模比系數KP，即可求得H24P=H24KP。

(3)模擬洪峰流量QP。將F值、H24P值和表1中C2取值代入公式(3)，則可求得河流的洪峰流量值。

2 暴雨資料數據分析

深圳市水務部門向來重視水文資料的編印，《深圳市水文資料年鑒》匯編了33個雨量站點資料，政府和相關企事業單位在2005年、2014年和2016前后相繼匯編了《深圳市防洪(潮)規劃報告(修編)(2002～2020年)》[8](以下簡稱《2004年防洪潮》)、《深圳市防洪潮規劃修編及河道整治規劃 河道整治規劃報告(2014～2020)》[9](以下簡稱《2014年防洪潮》)和《深圳市排水(雨水)防澇綜合規劃(全市簡本)》[11](以下簡稱《2015年排水防澇》)。兩個防洪潮成果列出了深圳市5大流域的點雨量均值H24和變差系數Cv，《2015年排水防澇》成果提出了9大流域的H24P，見表2[8- 10]。

由于文章擬將雨量資料應用于集雨面積小于10km2的河流，故設計雨量不需作點面折減[3]。《2014年防洪潮》和《2015年排水防澇》匯編時間相近，通過比較其成果，兩者相差不超過6%，差異較小，且由于《2015年排水防澇》包括更多流域成果，為保持一致性，文章引用《2015年排水防澇》的H24P設計雨量值。從表2可看出，深圳市東部的大鵬灣水系、大亞灣水系和深圳河流域的年最大24h設計雨量值較其它流域大。

3 方法應用

以深圳市集雨面積小于1km2和1～10km2的小流域河流作為研究對象，結合已有的流域設計雨量成果，利用廣東省洪峰經驗公式計算其河流洪峰流量，從而獲得深圳市9大流域相應面積范圍的河流洪峰流量量級化數據。

3.1 研究對象

在河流集雨面積F<10km2范圍內，根據深圳市官方統計成果劃分多個流域不同面積河流。深圳市各大流域的河流數量分布見表3。

表3 深圳市各流域河流數量分布 單位：km2

注：深圳市對集雨面積F<1km2的河流數量未統一，因此文章未列出。

表2 深圳市各流域年最大24h設計雨量H24P成果表

注：《2014年防洪潮》成果采用《廣東省暴雨參數等值線圖》[11]查算成果。

3.2 洪峰流量計算

將表1的C2、表2的H24P代入公式(3)，流域面積按1、5、10km2劃分計算，結果詳見表4。深圳市小流域的防洪標準大部分為20年一遇～50年一遇，由表4可看出深圳市小流域河流洪峰流量值的量級化分布，當防洪標準為50年一遇時，流域面積小于1km2的河流洪峰流量小于25m3/s，1～5km2的河流洪峰流量小于96m3/s，5～10km2的河流洪峰流量小于172m3/s。

將表2各流域的H24P取算術平均值得出深圳市的H24P，集雨面積從0～10km2范圍內按遞增1km2劃分，代入公式(3)計算得到深圳市小流域河流洪峰流量隨面積遞增的變化，如圖1所示。集雨面積1km2以下的河流遭遇5年一遇洪水時其洪峰流量接近10m3/s，集雨面積10km2以下的河流遭遇5年一遇洪水時其洪峰流量接近70m3/s。

表4 深圳市各流域河流洪峰流量值

圖1 深圳市小流域河流不同流域面積相應頻率的洪峰流量變化圖

4 結語

在小流域河流洪峰流量簡化計算、精度滿足要求工作的背景下，文章利用廣東省洪峰經驗公式方法，對深圳市小流域河流的洪峰流量數據進行模擬，可為集雨面積小于10km2的工程提供參考。文章引用的各流域雨量資料為官方匯編、通過評審的參考資料，且對年份相近的成果進行比較，兩者相差小，引用成果合理可靠。分析對象涵蓋了市各流域，流域面積范圍1～10km2以及防洪標準5～100年一遇各種情況。研究結果普適性較強，可應用于市各個小流域河流的洪峰流量設計。

此外，“河長制”的推行，由各級黨政主要負責人擔任河長，實地跟蹤督察，統籌抓好河流整治提升工作，協調各方解決復雜水問題。文章提出深圳市各流域河流洪峰流量成果的量級化數據，可作為各方現場實地討論分析問題的初判指導，在檢驗洪峰計算結果合理性上提供直觀的判斷與理論依據，為后續的防洪減災水利工程設計提供參考。一般情況下，工程設計采用的雨量資料應自行收集、統計附近雨量站系列數據，經過“三性”分析，并與以往成果進行比較最后確定。受數據可獲取性的限制，文章未進行不同流域各雨量站雨量系列資料統計分析，需在未來進一步探討。

[1] 牟萍, 袁明道, 曾錦輝. 廣東省小型水庫防洪標準復核的有關問題[J]. 水利規劃與設計, 2013(09): 22- 23.

[2] 周健. 中小河流治理規劃設計基本思路與要點[J]. 水利規劃與設計, 2012(05): 6- 7.

[3] 廣東省水文總站. 廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊[R]. 廣東省水文總站, 1991: 11- 12.

[4] 廣東省水利電力局. 廣東省洪峰流量經驗公式[R]. 廣東省水利電力局, 1977: 2- 4.

[5] 深圳市水務局. 深圳市2016年水務統計手冊[R]. 深圳市水務局, 2016: 21- 35.

[6] 王國安, 賀順德, 李超群, 等. 論廣東省綜合單位線的基本原理和適用條件[J]. 人民黃河, 2011(03): 15- 18.

[7]王槐南, 邢向峰, 陳太芳. 廣東省暴雨徑流查算圖表在寧遠河水文預報中的運用[J]. 水利規劃與設計, 2012(05): 24- 26.

[8] 深圳市水務局, 深圳市水利規劃設計院. 深圳市防洪(潮)規劃報告(修編)(2002～2020年)[R]. 深圳市水務局, 2005.

[9] 深圳市水務局. 深圳市防洪潮規劃修編及河道整治規劃 河道整治規劃報告(2014～2020年)[R]. 深圳市水務局, 2014: 9- 10.

[10] 深圳市規劃和國土資源委員會, 深圳市水務局, 深圳市城市規劃設計研究院有限公司, 等. 深圳市排水(雨水)防澇綜合規劃(全市簡本)[R]. 深圳市規劃和國土資源委員會, 2015: 5- 6.

[11] 廣東省水文局. 廣東省暴雨參數等值線圖[M]. 廣州: 廣東省水文局, 2003.