無(wú)資料地區(qū)特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法分析

綦 晶，薛 蓮

(1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，長(zhǎng)春 130021；2.呼倫貝爾市水資源管理站，呼倫貝爾 021000)

無(wú)資料地區(qū)特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法分析

綦 晶1，薛 蓮2

(1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，長(zhǎng)春 130021；2.呼倫貝爾市水資源管理站，呼倫貝爾 021000)

針對(duì)特小流域水文資料、設(shè)計(jì)洪水推算難的問(wèn)題，研究計(jì)算簡(jiǎn)便、計(jì)算精度較高的洪水計(jì)算方法，對(duì)指導(dǎo)特小流域洪水設(shè)計(jì)具有重要意義。文章結(jié)合現(xiàn)階段特小流域設(shè)計(jì)洪水常用的幾種計(jì)算方法，分析了不同計(jì)算方法的特點(diǎn)及其適用性，并以南溝子流域設(shè)計(jì)洪水推算為例，對(duì)兩種常見(jiàn)的特小流域洪水計(jì)算方法進(jìn)行橫向比較。

無(wú)資料地區(qū)；特小流域；設(shè)計(jì)洪水；計(jì)算方法

0 前 言

我國(guó)具有較為豐富的水資源，其中流域面積在100km2以下的河流更是分布廣泛。小河流之上修建小型水庫(kù)、灌溉工程等對(duì)地區(qū)農(nóng)業(yè)及防洪都具有重要意義，而水利建筑物的設(shè)計(jì)需要依據(jù)小流域某種頻率的設(shè)計(jì)洪水[1-3]。特小流域與其他類(lèi)型流域相比，除集水面積小之外，在暴雨洪水產(chǎn)流、匯流方面也具有獨(dú)特的特點(diǎn)。對(duì)于特小流域洪水設(shè)計(jì)計(jì)算，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，總結(jié)了很多理論公式和計(jì)算方法，文章在分析特小流域不同洪水計(jì)算方法適用性和優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，結(jié)合南溝子流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算實(shí)例，探討適合本地區(qū)的特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法。

1 特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法分析

流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算由來(lái)已久，并且在運(yùn)用過(guò)程中不斷進(jìn)行充實(shí)和完善，計(jì)算精確度也逐步得到提升。20世紀(jì)80-90年代，小流域水利工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算主要采用的方法有歷史恒基估算法、水文比擬法和諾模圖表推求法等，這幾種方法都是在水文資料短缺的情況下，運(yùn)用簡(jiǎn)單的估算方法對(duì)設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行推求，不確定因素太多，計(jì)算精度較低[4]。近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前，小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用的設(shè)計(jì)方法有推理公式法、一院兩所法、瞬時(shí)單位線法等。單位線法適用于流域集水面積在200-1000km2、洪水資料缺失的情況，對(duì)于特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算一般不采用。下面對(duì)2種常用的特小流域計(jì)算方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1)推理公式法。該方法使用之前需要把計(jì)算流域的產(chǎn)流、匯流條件都均化和概化，再將水流運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程聯(lián)立求解，推導(dǎo)計(jì)算得到計(jì)算流域出口斷面洪峰流量公式。在確定穩(wěn)定入滲率fc之后，按照一定標(biāo)準(zhǔn)的入滲率將凈雨劃分為兩部分，即地表凈雨和地下凈雨，在根據(jù)所計(jì)算流域特征參數(shù)推求洪水參數(shù)m。繪制洪峰流量與流域匯流時(shí)間、洪峰流量與時(shí)間兩種關(guān)系曲線，得到地表洪峰流量。根據(jù)計(jì)算得到的地表洪峰流量求地下洪峰流量，根據(jù)等腰三角形分配原則，求得地下洪峰流量，兩者相加就是所求設(shè)計(jì)洪峰流量。

2)一院兩所法。一院兩所法可以用于集水面積小于10km2以下的特小流域。該方法最大特點(diǎn)在于計(jì)算過(guò)程中取代了矩形概化線性分配，并用最大同時(shí)匯流面積非線性分配進(jìn)行代替，這樣可以使計(jì)算過(guò)程與洪峰形成規(guī)律更加吻合。同時(shí)計(jì)算中考慮坡面流忙流因素、變動(dòng)的洪峰徑流系數(shù)、斷面擴(kuò)散系數(shù)等因素，使得一院兩所法更適用于特定流域的設(shè)計(jì)洪水推算[5-6]。

2 基本情況

2.1 流域概況

多金河地處嫩江縣西南部的臨江鄉(xiāng)境內(nèi)，為嫩江右岸一級(jí)支流，發(fā)源于臨江鄉(xiāng)東南部的111國(guó)道西側(cè)，由東至西橫穿臨江鄉(xiāng)，最后在多金村南側(cè)注入嫩江。南溝子是多金河右岸的一條支流，發(fā)源于臨江鄉(xiāng)東南方，先后流經(jīng)臨江鄉(xiāng)、新立屯，在多金村附近匯入多金河。南溝子河道總長(zhǎng)15.86km，河道平均比降4.72‰。

2.2 氣象

南溝子流域?qū)僦袦貛Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，歷時(shí)長(zhǎng)；春季多風(fēng)，蒸發(fā)量大、濕度小；夏季溫濕多雨；秋季降溫急驟，歷時(shí)短。年內(nèi)及年際氣溫變化較大。據(jù)嫩江氣象站資料統(tǒng)計(jì)，本區(qū)多年平均氣溫-0.5℃，極端最高氣溫38.1℃，極端最低氣溫-47.3℃。多年平均降水量487mm，降水年內(nèi)分配極不均勻，降水量主要集中在6-9月，占年降水量的80%以上，其中7-8月降水量占年降水量的50%以上，冬季降水量很少，僅占年降水量的5%以下。該地區(qū)多年平均水面蒸發(fā)量663mm，受日照、風(fēng)、植被、氣溫等因素的影響，蒸發(fā)量年內(nèi)分配極不均勻，每年的4-6月由于日照增強(qiáng)，升溫快，風(fēng)速大，濕度小，蒸發(fā)量大，占全年蒸發(fā)量的50%以上。南溝子流域處于山區(qū)向平原過(guò)渡的丘陵地帶，春秋季節(jié)風(fēng)沙大，地面風(fēng)向以NE-NW為主。

2.3 洪水

南溝子流域沒(méi)有設(shè)立水文測(cè)站，屬無(wú)資料地區(qū)。本次設(shè)計(jì)洪水采用一院兩所法計(jì)算50a一遇設(shè)計(jì)洪水。控制斷面位于南溝子中游，新立屯西南側(cè)，斷面以上河道長(zhǎng)度為7.72km，河道平均坡度7.06‰，匯水面積20.6km2。

3 特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法應(yīng)用及比較

3.1 不同設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法應(yīng)用

1)一院兩所法是鐵道部第一設(shè)計(jì)院、中國(guó)科學(xué)院地理研究所和鐵道部科學(xué)研究院西南研究所共同提出的小面積洪水計(jì)算方法，其計(jì)算公式為：

Qp= [(k1(1-k2)P)/(XP1)n1](1/(1- n1y))

(1)

式中：Qp為洪峰流量，m3/s；k1為產(chǎn)流因子；k2為損失因子；X為山坡和主河槽綜合匯流因子；P1為形成洪峰流量同時(shí)匯水的時(shí)間系數(shù)；P為形成洪峰流量的同時(shí)匯流面積系數(shù)；n為隨暴雨衰減指數(shù)n而變的指數(shù)；Y為反映流域匯流特征的指數(shù)。

選取某一控制斷面，計(jì)算參數(shù)取值如表1所示。經(jīng)計(jì)算控制斷面處設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果為131 m3/s。

表1 控制斷面設(shè)計(jì)洪水計(jì)算參數(shù)表

2)推理公式法計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

式中：F為計(jì)算流域面積；τ為匯流時(shí)間；m為匯流參數(shù)；L為主干流長(zhǎng)度；Ht為相應(yīng)t時(shí)段的最大凈雨；J為河道干流比降。

經(jīng)復(fù)核推求得到，南溝子流域P=2%設(shè)計(jì)洪峰流量為123m3/s。

3.2 不同設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法比較分析

本次設(shè)計(jì)洪峰計(jì)算采用推理公式法和一院兩所法2種方式，計(jì)算得到的南溝子流域洪水參數(shù)結(jié)果較為接近，P=2%設(shè)計(jì)洪水相差6.0%。歷史洪水法與查找圖表法由于存在較大的人為誤差，文章對(duì)其不予比較討論。通過(guò)推理公式法與一院兩所法相互復(fù)核，通過(guò)確定的入滲率劃分不同時(shí)段地表和地下凈雨，這種計(jì)算方法計(jì)算精確度較高，且考慮因素較為全面，因此結(jié)果可信度高。特別是針對(duì)南溝子流域的一院兩所法計(jì)算中將流域下墊面參數(shù)進(jìn)行實(shí)際考察認(rèn)證，據(jù)此推算確定洪水參數(shù)m，能夠較為真實(shí)地反映計(jì)算流域下墊面情況[7-8]。雖然在計(jì)算過(guò)程中也將產(chǎn)流、匯流條件進(jìn)行了適當(dāng)?shù)木c概化，但在此基礎(chǔ)上通過(guò)結(jié)果分析與理念洪水調(diào)查復(fù)核，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小，計(jì)算方法可行，成果基本可靠。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)特小流域洪水水流存在產(chǎn)流和匯流情況，且受到暴雨時(shí)空分布和流域下墊面情況的制約，下墊面會(huì)對(duì)流域(特別是坡面)調(diào)蓄能力和水源補(bǔ)給情況造成影響，最終會(huì)在在洪水參數(shù)m反映。因此，特小流域設(shè)計(jì)洪水推算的關(guān)鍵在于確定洪水參數(shù)，一院兩所法根據(jù)大量的洪水調(diào)查為依據(jù)，具有不同類(lèi)型洪水參數(shù)的計(jì)算公式，適合流域面積在30km2以下工程中應(yīng)用，尤其是面積小于10km2的特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中。

2)在水文資料短缺或沒(méi)有水文資料的條件下計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，要求既能保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，又能確保技術(shù)人員能快速掌握計(jì)算方法，可通過(guò)利用推算公式法計(jì)算原理，按照一院兩所法推求匯流參數(shù)m，再計(jì)算得到特小流域的設(shè)計(jì)洪峰流量。

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[2]戴榮,王正發(fā).資料匱乏地區(qū)中小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法的研究[J].西北水電,2012(02):1-5.

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TV122.3

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2017-09-18

綦晶(1983-)，女，遼寧鞍山人，工程師，研究方向?yàn)楣こ趟?；薛?1983-)，女，河南沁陽(yáng)人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗こ毯退Y源管理。