水文比擬法在水文資料缺乏地區計算斷面徑流量方法探討

程 遙 ，郭 藝

(1.長江水利委員會水文中游局皇莊水文站， 湖北 鐘祥 431900；2.長江水利委員會水文漢江局十堰分局，湖北 十堰 442000)

1 概述

隨著最嚴格水資源管理的三條紅線的實施，需要對各級行政區的水資源總量、水資源利用率、排污總量等進行監測和計算，其中一個重要的指標是徑流量的計算。理想的辦法是在各行政區劃之間設立水文斷面進行監測，目前我國受經濟、技術等多方因素限制，還很難達到各行政區劃之間設立水文監測斷面，在這些水文資料缺乏地區，徑流量計算大多采用水文比擬法。

2 水文比擬法使用原則

隨著中小河流水文站網建設及山洪災害預警系統建設，各地雨量站建設越來越多。當一個流域內水文站數量不足，各分區斷面雖然沒有流量監測數據，但是斷面以上流域雨量數據比較齊全。對于面積不是很大的流域，基于計算的各斷面控制的流域互相比鄰，各相鄰斷面控制流域下墊面相似，產匯流條件相近。根據《水利水電工程水文計算規范》(SL278-2002)的相關規定，在選好參證流域后，流量計算方法可以采用水文比擬法，通過參證斷面徑流量資料，運用流域面積比、面雨量比和徑流系數比計算出擬算流域斷面流量。

3 計算方法探討

3.1 公式選取

計算公式：

Q設=(F設/F參)×(P設/P參)×(α設/α參)×Q參

(1)

式(1)中,Q設：設計斷面流量；Q參：參證斷面流量；F設：設計斷面控制的流域面積；F參：參證斷面控制的流域面積；P設：設計斷面控制的流域面降水量；P參：參證斷面控制的流域面降水量；α設：設計斷面控制的流域降水徑流系數；α參：參證斷面控制的流域降水徑流系數。

在選取參證斷面時，盡量與擬算斷面控制流域相鄰，保持下墊面相似，α設/α參=1，比擬計算時只考慮流域面積差異和降水量不同。流量計算公式變化如下：

Q設=(F設/F參)×(P設/P參)×Q參

(2)

擬算斷面控制流域面雨量由各分區面雨量采用面積權重法計算，流域面雨量公式如下：

(3)

3.2 基流分割

對于流域的一次降雨過程來說，其在流域出口斷面形成的流量過程線由不同水源組成，如何區分徑流的不同組分及其所占比例，需要對徑流進行地面徑流和基流的劃分，即基流分割。一次洪水過程包含了地面徑流，壤中流和地下徑流。其中，地下徑流又分為淺層和深層兩種，通常把后者稱為基流。基流是地下水補給進入河水中的部分，其徑流量較為穩定，為河川的基本流量，和短周期的降水關系不明顯。

用水文比擬法通過降雨進行徑流計算時，需要對參證流域基流進行分割，以避免出現對擬算流域采用水文比擬法進行降雨徑流計算時，出現降雨為0時斷面流量也為0的不合理現象。

通過參證流域斷面的實測流量過程，采用斜線分割法，即取歷年最枯流量的平均值對流量序列進行分割，獲取的較為穩定的流量，作為基流。再通過面積比擬的方法獲取擬算流域斷面的基流。

3.3 流域受水利工程影響時的計算方法

一般而言，天然流域降水徑流關系的對應性較好，如果擬算流域與參證流域相似度較高，通過比擬法能夠獲得比較滿意的結果。但是，許多流域修建了大小各類水利工程，破壞了天然的降雨徑流關系。當流域內水利工程比較多，徑流受水利工程控制影響較大時，月降水量和月平均流量對應性就較差。因為一般的水庫月調節能力較強，導致當月降水量與徑流量關系不一致。如果用參證斷面的月降水和月平均流量計算擬算斷面的月流量會帶來較大誤差，造成表面的不合理。為避免這些矛盾，通過以年降水和年徑流為單位來進行比擬計算，再以月降水量作為權重進行分配，能最大限度的減小流域內各類大小水利工程對徑流量調節帶來的影響。

3.4 計算步驟

首先將參證斷面的徑流量進行基流分割，再采用參證斷面的流域面積、年降水量、分割基流后的徑流量和擬算斷面的流域面積、年降水量通過比擬計算出擬算斷面的除基流外的徑流量，再按擬算斷面上流域逐月降水量按比例分配計算各月地表徑流量，疊加基流量則為各月的月徑流量。

具體計算步驟如下：

(1)以擬算斷面以上各分區逐月的面雨量和面積權重，采用面積權重法計算擬算斷面控制流域面積的逐月面平均降水量(見公式3)，得到擬算斷面控制流域面積的年面平均降水量。

(2)根據地理位置相近、流域地形地貌相似、流域面積相近的原則選定參證流域。

(3)采用斜線分割法，即取歷年最枯流量的平均值對流量序列進行分割，獲取的較為穩定的流量，從參證流域總徑流量中分割出基流徑流量和地表徑流量。

(4)采用水文比擬法，根據參證斷面年降水和地表徑流量應用公(2)計算出擬算斷面的地表徑流量。

(5)以擬算斷面計算的各月降水量為權重分配各月地表徑流量。

(6)以各分區的流域面積和年降水量為權重，計算出各分區的年地表徑流量，再根據各月降水量分配計算各月地表徑流平均流量。

(7)按單位面積的基流標準計算擬算斷面的基流流量，加入基流即為擬算斷面月徑流量(流量)。

4 計算實例

以漢江上游的鄂坪和蘭灘兩斷面為例，鄂坪斷面為參證斷面，蘭灘斷面為擬算斷面。鄂坪、蘭灘斷面在漢江上游的位置見圖1。

蘭灘斷面以上擬算的流域面積1733.9 km2，主要是陜西白河縣和湖北鄖西縣兩個行政區，其中白河縣638.59 km2，鄖西縣1071.8 km2。兩個行政區面積合計1710.39 km2，占蘭灘斷面以上擬算的流域面積的98.6%。

參證斷面選用鄂坪斷面，控制流域面積為1695 km2，面積與蘭灘斷面以上流域面積1733.9 km2相近，

兩流域相鄰且均位于丹江水庫西部，流域地形地貌、植被、氣候等特征相似，因此將鄂坪斷面作為蘭灘的參證斷面是非常合適的。

圖1 蘭灘斷面在漢江的位置

蘭灘斷面上游有蜀河水電站等大型水庫控制，為典型的人工控制河流，受水庫調節影響，月降水與月徑流的關系不相應。

4.1 基流參證斷面及基流分割

通過提供的參證斷面-鄂坪斷面實測流量數據，采用斜線分割法，即取歷年最枯流量的平均值對流量序列進行分割，獲取的較為穩定的流量0.34 m3/s作為基流流量。通過比擬計算，設計斷面蘭灘斷面基流量為0.342 m3/s。

4.2 計算方法

應用公式(2)依據前述計算步驟可以計算出蘭灘斷面的年徑流和各月平均流量。

(1)計算各分區面積的權重比和基流值，分別為：白河縣：0.373，基流量0.128 m3/s；鄖西縣：0.627，基流量0.214 m3/s。

(2)面雨量計算。根據各縣面積權重系數和當月降水量，利用公式(3)即可計算出各分區平均面月雨量，由于兩縣總面積接近流域總面積，因此以兩縣當月平均面雨量近似代表流域當月平均面雨量，繼而可計算出蘭灘監測斷面以上流域月面雨量和年面雨量。

(3)參證斷面。參證斷面為鄂坪斷面，控制流域面積為1695 km2，鄂坪斷面基流量為0.34 m3/s，擬算斷面蘭灘斷面控制流域面積為1733.9 km2，計算基流流量為0.342 m3/s。

(4)徑流量計算。根據參證斷面年降水量和流域面積，應用公式(2)依據前述計算步驟可以計算出蘭灘斷面的年徑流，依據各月降水量的權重即可計算出各月平均流量。

(5)計算結果見表1～3。

表1 依據面積權重計算的蘭灘斷面以上流域年面雨量

表2 蘭灘斷面根據2013年和2014年年面降水量計算年徑流量

表3 蘭灘斷面2013年和2014年依據月降水量權重計算月平均流量

5 結論

通過計算實例(見表3)表明，在水文資料缺乏且受水利工程影響的地區，采用年降水量與年徑流量進行水文比擬分析計算，再用月降水量作為權重進行分配，能很好地克服擬算斷面上游水利工程對每月降水徑流關系帶來的影響，使每月的徑流量與降水量的相關性更加合理。采用斜線分割法對基流流量分割計算，使降水量稀少的月份徑流量分配更加符合實際情況。