《陜西省水文手冊》洪峰流量計算參數分析

劉 濤

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001）

隨著氣候變化和國民經濟的快速發展,水文下墊面、水文情勢、洪水演進和流域產匯流基礎條件都發生了很大變化,原分地市《地區水文實用手冊》（以下簡稱《地區手冊》）中的參數已不能全面、準確反映現狀條件下的水文特性,迫切需要一部反映現狀水文環境狀況與情勢的新水文分析計算手冊。2021 年6 月,《陜西省水文手冊》（以下簡稱《新版手冊》）通過評審進入試用階段,作為水利工程設計規劃工作中的重要依據,洪峰流量計算參數的合理性分析則具有重要意義。

1 《新版手冊》變化

與《地區手冊》相比,《新版手冊》在資料系列、設計暴雨洪水參數綜合等方法有以下改進。

1.1 資料系列

資料系列統一采用1956 年～2012 年長系列,部分水文站點延長到2017 年,全省范圍統一勾繪各歷時暴雨參數等值線圖,系統全面的補充大量場次暴雨、大暴雨或特大暴雨洪水資料,比《地區手冊》平均25 年資料系列更具有代表性,避免了分地市繪制存在地形地貌等因素不協調的問題。

1.2 設計暴雨

增補20 min、3 h、12 h、3 d,補齊8 個標準暴雨時段劃分,彌補《地區手冊》只有10 min、60 min、6 h、24 h 4 個時段不全的現象,有利于長歷時大范圍的暴雨設計；將《地區手冊》只有雨量站 24 h 最大值分布,改進為 0.25 經緯度范圍內選取最大值的 8 個標準暴雨時段歷時的最大值分布；全省范圍協調統一各時段采用的偏態系數,使之更趨合理。

1.3 設計洪水

在《地區手冊》資料的基礎上,增加分析了1985 年～2012 年典型洪水,重新率定了計算設計洪峰流量的參數,使之計算成果更趨于符合現狀。設計洪水推求分以下兩種途徑：①根據經驗公式法推求設計洪水；②根據設計暴雨推求設計洪水。

2 《新版手冊》洪水分析選用資料

2.1 經驗公式法

《新版手冊》經驗公式分析以區域內水文站實測資料與調查得到的小面積歷史洪水資料,作為推求設計洪水經驗公式的基礎。流域面積范圍涵蓋21.4 km2～3860 km2的測站共計70 個站。

2.2 根據暴雨推求設計洪水

2.2.1 產流

全省共挑選64 條河流252 場雨洪資料,其中：陜北Ⅰ區共27 條河123 場；關中北Ⅱ1 區共8 條河36 場；關中Ⅱ2區選擇11 條河29 場；陜南Ⅲ1 區選擇9 條河的28 場；陜南Ⅲ2 區選9 條河的36 場。

2.2.2 匯流

（1）推理公式法

全省選用不同分區共計71 站465 場暴雨洪水資料分析匯流參數m 值,其中陜北Ⅰ區24 站208 場,關中Ⅱ1 區8 站55 場,關中Ⅱ2 區16 個站62 場,陜南Ⅲ區23 站140 場。

（2）瞬時單位線法

全省選不同分區共計51 站393 場雨洪資料。其中陜北Ⅰ區11 站120 場；關中Ⅱ1 區8 站50 場；關中Ⅱ2 區12站78 場；陜南Ⅲ1 區8 站54 場；陜南Ⅲ2 區12 站 91 場。

3 參數率定

經驗公式法

以水文站實測資料與調查洪水資料建立洪峰流量經驗關系式：

式中：Qp為不同頻率的設計洪峰流量,m3/s；F 為流域面積,km2；K、n 為經驗性參數和指數。常用頻率率定參數見表1。

表1 經驗公式參數表

續表1

3.1 根據暴雨推求設計洪水

3.1.1 產流

陜西省氣候及自然地理條件差異較大：渭河以北地區氣候干燥,雨量較少,入滲能力較小,產流方式常為雨強超過土壤入滲率而產生地面徑流,稱作超滲產流；渭河以南地區雨量充沛,暴雨歷時長,入滲能力較大,產流方式是當降雨量滿足土壤最大含水量后,全部降雨形成徑流,稱作蓄滿產流。

產流主要在于分析地區土壤最大含水量Im、前期影響雨量Pa 及入滲率f。《新版手冊》產流率定參數見表2 和表3。

表2 土壤最大含水量和前期影響雨量成果表

表3 超滲產流入滲率與土壤含水量關系式

3.1.2 匯流

（1）推理公式法

洪峰流量計算關鍵為確定匯流歷時τ：

式中：τ為流域匯流歷時,h；L 為沿主河槽從出口斷面至分水嶺的最長距離,km；J 為沿流程的平均比降（以小數計）；m 為經驗性匯流參數；α、β為經驗性指數。

《新版手冊》推理公式參數率定見表4。

表4 推理公式法匯流參數（式）

（2）瞬時單位線

洪峰流量計算關鍵為確定參數n、k：

式中：m1、m2為瞬時單位線參數；m1i=10 為凈雨強度為10 mm的 m1值；b 為改正指數,i 為雨強,mm/h。

《新版手冊》瞬時單位線參數率定見表5。

表5 瞬時單位線匯流參數式

4 參數檢驗分析

以水文站洪峰流量頻率計算成果為參考值,對全省各分區水文站采用上述三種計算方法計算其設計洪峰流量,與頻率計算成果進行比對,對誤差進行統計,其中經驗公式驗證70 站,推理公式法驗證45 站,瞬時單位線驗證54 站。

4.1 經驗公式法

表6 經驗公式法設計洪水計算與頻率計算值誤差統計表

4.2 根據暴雨推求設計洪水

4.2.1 推理公式法

以P=1%為例,300 km2以下水文站誤差≤10%、≤20%、≤30%的站數分別為7 站、7 站、11 站,占驗證總站數的63.6%、63.6%、100%；300 km2～1000 km2水文站誤差≤10%、≤20%、≤30%的站數分別為17 站、17 站、24 站,占驗證總站數的50.0%、50.0%、70.6%。可見,推理公式用在流域面積大于300 km2時,其計算誤差將會明顯增大。見表7。

表7 推理公式法設計洪水計算與頻率計算值誤差統計表

因此,《新版手冊》中推理公式的應用范圍不宜超過300 km2,300 km2～500 km2供參考。

4.2.2 瞬時單位線法

因此可認為《新版手冊》中瞬時單位線法使用在1000 km2以下,參數基本合理。

表8 瞬時單位線法設計洪水計算與頻率計算值誤差統計表

5 結語

（1）《新版手冊》較《地區手冊》有以下改進：

一是水文資料系列延長,《地區手冊》采用資料基本在1980 年前后,系列長度在25 年～30 年,《新版手冊》洪水資料系列在42 年～78 年,且在此基礎上同時收集了周邊七省的各類資料,更具有代表性。

二是對水文資料統一進行一致性處理,并對主要參數進行修正完善,更加符合現狀水文環境以及產匯流環境狀況。

（2）《地區手冊》以地市為單位,與相鄰地市存在一定的銜接問題,《新版手冊》則以全省范圍進行修編,同時考慮臨省的銜接,避免了地市繪制存在地形地貌等因素不協調的缺陷。

（3）《新版手冊》推理公式適用面積為小于300 km2,300 km2～500 km2供參考使用,瞬時單位線適用面積為小于1000 km2,1000 km2～1500 km2供參考使用。