城市小匯水區(qū)域設(shè)計洪水計算方法應(yīng)用研究

李滿剛

（運城市水利勘測設(shè)計研究院 山西運城 044000）

隨著國民經(jīng)濟的進一步發(fā)展，我國城市化建設(shè)步伐越來越快，建設(shè)水平也越來越高。據(jù)不完全統(tǒng)計，2006年我國東、中、西部等發(fā)達地區(qū)的城市化水平已分別達到了54.6%、40.4%和35.7%，其中最高的東部沿海城市上海，其城市化水平已高達88.7%；其次是北京和天津，其城市水平分別為84.3%和 75.7%。城市化水平的提高一方面推動了城市經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，但同時也帶來了地區(qū)人口密度的急劇加大，城市生態(tài)環(huán)境條件被破壞，進而引起局部氣候和城市水循環(huán)條件發(fā)生變化，城市防洪排澇問題日顯突出。結(jié)合城市發(fā)展的實際情況，對城市現(xiàn)有的防洪工程進行除險加固，并有針對性的新建防洪工程以完善城市綜合防洪體系，已成為當前城市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計人員研究的一個重要內(nèi)容。計算城市洪水洪峰流量是確定城區(qū)小匯水范圍內(nèi)防洪水工建筑物斷面尺寸的主要依據(jù)，而當前，我國絕大部分城市小匯流區(qū)域一般沒有實測的河川徑流資料，其在進行防洪水工建筑物設(shè)計時所需的設(shè)計洪峰流量一般按照暴雨資料來間接推求。城市小匯水面積的洪水計算有水利部門和城鄉(xiāng)建設(shè)部門頒發(fā)的兩套計算方案，其中水利部頒發(fā)的文件中，進行城市小匯水區(qū)域設(shè)計洪水計算,主要采用水利部中國水利水電科學(xué)研究院水文研究所的推理公式法和經(jīng)驗公式法；而城鄉(xiāng)建設(shè)部門在進行城市小匯水區(qū)域設(shè)計洪水計算時則采用室外排水設(shè)計流量公式法。上述幾種方法在推導(dǎo)原理、適用條件等方面均有很大差異，因此其計算結(jié)果也會存在很大不同。為此，本文將對上述三種方法的適用條件、設(shè)計洪水計算要點、計算結(jié)果等進行詳細比對分析，以期為城市小匯水區(qū)域防洪工程設(shè)計洪水計算提供參考。確保城市防洪工程設(shè)施規(guī)模具有較高的性能水平，有效完善的城市防洪體系。

1 城市小匯水區(qū)域雨洪特性

1.1 降雨特性

城市小匯水區(qū)域降雨特性，主要指在不同降雨成因條件下，降雨所具有的時程分配和空間分布特性，主要按歷時長短、降雨強度、分布均勻與否、暴雨中心移動與否四個方面進行考慮。對小匯水區(qū)域而言，一般認為降雨流域面積不是很大，因此常規(guī)設(shè)計過程中，通常按暴雨分布近似均勻分布進行計算。但從大量實際觀測數(shù)據(jù)資料來看，小匯水區(qū)域暴雨分布呈現(xiàn)明顯非均布特性。從降雨特性來看，處于小匯水區(qū)域的暴雨呈現(xiàn)分布不均勻多半是由于暴雨中心位置發(fā)生移動引起。因此，在進行暴雨分析計算時，其分析計算時段Δt應(yīng)考慮到暴雨中心位移問題。對于小匯水區(qū)域的降雨，短時段暴雨面受中心偏移影響，其分布是不均勻的；對于較長時段的暴雨而言，這種中心偏移引起的不均勻性又會被降雨時間所均化，即暴雨面分布在長時間段又相對是較均勻的。因此，在考慮小匯水區(qū)域 降雨特性時，通常可以將Δt時間段內(nèi)或主雨峰時段內(nèi)暴雨面是否處于均勻分布作為分析降雨特性的依據(jù)。

1.2 洪水特性

1.2.1 匯流速度快，預(yù)測預(yù)報難度較大

由于城市小匯水流域面積較小，其蓄滯洪的能力有限，加上洪水與暴雨間存在密切的時空分布特性，匯流速度非常快。城市河流普遍采用分區(qū)治理方法，其小流域匯水能力通常只有幾至十幾平方公里，易產(chǎn)生驟漲驟落等現(xiàn)象，給小區(qū)域洪水預(yù)測預(yù)報帶來較大難度。

1.2.2 洪峰量大，歷時短破壞性強

城市小流域洪水通常表現(xiàn)出洪源近、水流急、洪峰高量大、歷時短、破壞性強等特性。在暴雨之后小區(qū)域急劇匯水，極易造成城市小流域發(fā)生嚴重的洪澇災(zāi)害。如2004 ～2005年，四川省達州市連續(xù)兩年遭受“百年一遇”的特大洪澇災(zāi)害，其中2004年的洪水，達州市區(qū)的州河洪水位暴漲高達18.7m，洪峰量大，破壞性極強

1.2.3 地質(zhì)地貌復(fù)雜，極易誘發(fā)泥石流等山地災(zāi)害

鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市由于其小匯水區(qū)域的地質(zhì)地貌情況十分復(fù)雜，加上人為破壞等因素的影響，其生態(tài)環(huán)境綜合性能十分脆弱，洪澇災(zāi)害十分嚴重。特別是對于丘陵地區(qū)的城鎮(zhèn)，在發(fā)生暴雨洪水時，極易誘發(fā)泥石流、山體滑坡等山地自然災(zāi)害。同時小匯水區(qū)域的洪水影響具有局部特征，會在小區(qū)域范圍內(nèi)造成房屋倒塌、城市基礎(chǔ)設(shè)施損壞、生態(tài)環(huán)境嚴重破壞等問題，災(zāi)后恢復(fù)重建工作困難十分大。

2 城市小匯水區(qū)域設(shè)計洪水計算方法

2.1 水利部門小匯水區(qū)域洪峰流量計算法

目前，在進行城市防洪工程設(shè)計洪水洪峰流量計算時，沒有一個完整系統(tǒng)的計算方法。在城市防洪工程設(shè)計過程中，通常采用水利部中國水利水電科學(xué)研究院提出的小流域洪峰流量計算公式進行城市防洪工程設(shè)計洪水計算。

2.1.1 推理公式法

從大量文獻資料和實際工作經(jīng)驗可知，影響城市小匯流區(qū)域面積上洪峰流量的因素十分繁多，用某一種準確的計算方法或推理公式來對不同氣候條件、地形地貌、水循環(huán)特性的小流域洪水進行定性函數(shù)描述，從理論來看是非常困難的，實際也是不可取的。水科院水文所提出的推理公式是一種基于半理論半經(jīng)驗的近似推理公式。推理公式中著重于城市防洪工程設(shè)計洪峰流量的計算，并結(jié)合暴雨洪水特性可以推求出小匯流區(qū)域某時段的洪峰流量和洪水過程線。利用推理公式法進行設(shè)計洪水計算時，其主要以暴雨演變成洪水的成因為計算基礎(chǔ)，同時考慮到洪水洪峰流量的主要影響因素，在假定某些參數(shù)條件下，建立一個能夠近似估算設(shè)計洪水的推理公式，即：

式中：Qm為城市防洪工程設(shè)計洪峰流量，m3/s;Ψ為城市河川的徑流系數(shù)； Sp為暴雨降雨速率，mm/h；τ為小區(qū)域流域匯流時間常數(shù)，h；n為暴雨強度的遞減系數(shù)；F為區(qū)域匯水面積，km2；L為城市河流主河槽長度，km；m為小區(qū)域匯流參數(shù)；J為城市河流主河槽平均坡降；θ為小匯水區(qū)域集水區(qū)特征參數(shù)。

從式（1）可知，推理公式法是把城市小區(qū)域流域的產(chǎn)流和匯流等條件均化和概化后，由暴雨水流的連續(xù)方程和運動方程相互聯(lián)解，并結(jié)合經(jīng)驗而推導(dǎo)出城市河流流域出口斷面的洪峰流量近似值的半理論半經(jīng)驗計算公式。

2.1.2 綜合經(jīng)驗公式法

城市小匯水區(qū)域的設(shè)計洪水綜合經(jīng)驗公式中，最為常見的是結(jié)合城市防洪工程的實際情況，將洪峰流量與流域匯流面積間建立某種關(guān)系。有的考慮到城市所處位置的山區(qū)、丘陵和平原區(qū)別；有的考慮下墊面植被、土壤等因素間的差異；有的則考慮洪水重現(xiàn)期、雨量等影響因素。這樣在結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上就形成了型式眾多的設(shè)計洪水經(jīng)驗計算公式。從眾多綜合經(jīng)驗公式的編制依據(jù)及實際應(yīng)用效果來看，基于本地區(qū)實測洪水資料或統(tǒng)計調(diào)查分析相關(guān)洪水資料基礎(chǔ)上形成的綜合經(jīng)驗公式，可以直接近似反映城市小匯水區(qū)域設(shè)計洪水洪峰流量與其它影響因素間的相互關(guān)系。設(shè)計中常用的設(shè)計洪水洪峰流量計算經(jīng)驗公式為：

式中：K為設(shè)計洪水洪峰流量參數(shù)。

2.2 城建部門室外排水公式法

室外排水公式法是城建部門進行城市防洪工程規(guī)劃設(shè)計廣泛采用的設(shè)計洪水計算方法，其進行設(shè)計洪水流量計算時主要依據(jù)城市排水( 雨水)規(guī)劃統(tǒng)計得到的各雨水出水口的洪峰流量，利用暴雨強度公式和雨水出水口規(guī)劃設(shè)計流量公式聯(lián)立共同解出城市小匯水區(qū)域設(shè)計洪水洪峰流量，即：

式中： Q為城市防洪工程設(shè)計洪峰流量，m3/s；q為設(shè)計暴雨強度，m3/s.hm2；P為設(shè)計洪水重現(xiàn)期，a；t1為地面集水時間，min；t2城市泄洪渠道的洪水流行時間，min；m為折算系數(shù)；A1、c、b、n為設(shè)計洪水計算過程中選取的地方系數(shù)。

3 城市小匯水區(qū)域設(shè)計洪水計算方法選用

我國城市間水文氣象、地形地貌、地質(zhì)等條件相差較大，現(xiàn)有的城市防洪工程設(shè)計洪水計算方法較多，要選某一種公式進行統(tǒng)一較為困難。因此，在實際設(shè)計計算分析過程中，應(yīng)在保證一定計算精度和計算結(jié)果滿足相關(guān)設(shè)計要求條件的基礎(chǔ)上，優(yōu)選計算不宜太繁瑣，約束參數(shù)不宜太多的計算公式，以免在近似計算過程中造成誤差的累積而獲得不準確的計算結(jié)果。在進行城市小匯水區(qū)域設(shè)計洪水計算時，應(yīng)采用多種計算方法和途徑分別計算設(shè)計洪水洪峰流量，通過不同計算方法結(jié)果間的相互比較印證，對提高計算結(jié)果的準確性非常重要。計算結(jié)果不能簡單采用幾種方法計算結(jié)果的平均值，應(yīng)該在幾種計算結(jié)果相互印證正確性的前提下，結(jié)合工程的實際情況優(yōu)選最能符合城市小匯水區(qū)域的計算結(jié)果。對于城市小匯水區(qū)域的設(shè)計洪水計算，由于驟發(fā)洪水現(xiàn)象其內(nèi)部影響和約束影響因素異常多，遠不是現(xiàn)有的各種估算和經(jīng)驗公式計算結(jié)果能夠充分真實反應(yīng)的，故在進行城市防洪工程設(shè)計時要對計算結(jié)果反復(fù)進行合理性論證分析后，方能用在實際防洪工程設(shè)計過程中。

不管采用哪種計算方法或經(jīng)驗公式進行設(shè)計洪水洪峰流量計算，均須對城市小匯水區(qū)域進行實地查勘，具體內(nèi)容包括：（1）城市小匯水區(qū)域暴雨洪水特性調(diào)查。通過調(diào)查明確暴雨洪水形成的主要原因、暴雨洪水主要特性等特征參量，并盡量搜集全當?shù)貧v史發(fā)生的大洪水資料 ；（2）城市河道形態(tài)特征調(diào)查。包括河道的縱、橫斷面深度、沖蝕程度以及河床基質(zhì)組成等形態(tài)特征信息；（3）流域生態(tài)環(huán)境調(diào)查。調(diào)查城市河道中植被種類、高度、疏密厚薄程度等生態(tài)條件，并測定當?shù)氐耐寥罈l件等；（4）城市防洪水利設(shè)施調(diào)查。明確河道中的防洪水工建筑物數(shù)量、類型，并查看違章建筑等人類活動對暴雨洪水影響情況。通過合理完善的野外查勘，可以有效補充城市防洪工程河道流域的第一手資料，從而在計算過程中使參數(shù)的定量和定性更加正確、合理。對于不同計算方法和經(jīng)驗公式，在使用過程中必須注意其公式邏輯結(jié)構(gòu)、適用范圍以及需要的參變量數(shù)據(jù)，同時還應(yīng)充分采用城市河道流域已有的歷史洪水數(shù)據(jù)資源作為印證參考，反推出更加符合城市防洪工程設(shè)計洪水計算實際情況的計算數(shù)據(jù)，以期為城市防洪工程提供準確、可靠、合理的設(shè)計洪水參考數(shù)據(jù)。

4 城市小匯水區(qū)域設(shè)計洪水計算實例

為了驗證上述三種計算方法在城市防洪工程設(shè)計洪水計算過程中的適用條件和正確性，選用某城市某河流作為研究對象，分別采用推理公式法、經(jīng)驗公式法以及室外排水公式法對該小匯水區(qū)域的設(shè)計洪水進行計算分析。

4.1 工程基本概況

一城市某小匯水區(qū)域，其計算分析斷面以上的集水區(qū)域大多屬于低山和低丘陵地帶，其區(qū)域匯水面積F=5.423km2，城市河流主河槽長度L=2.61km，河流主河槽平均坡降J=0.01127，小匯水區(qū)域集水區(qū)特征參數(shù)5.11=θ。

4.2 計算結(jié)果分析

采用推理公式法、經(jīng)驗公式法（綜合單位線法）以及室外排水公式法分別計算，其計算結(jié)果如表 1所示：

表1 不同計算方法獲得計算成果表

從表1可以看出，本工程中采用推理公式法和綜合單位線法，在不同頻率條件下，其相對誤差均在10%范圍以內(nèi)，能夠滿足設(shè)計規(guī)范要求。城建部門采用的室外排水公式法在頻率 P=1%和 P=2%條件下，相對誤差也較小，分別為2.8%和5.2%,而在頻率P=5%和P=10%條件下，其計算結(jié)果相對誤差就相當大，分別為19.2%和36.6%。

從上述分析可知，室外排水公式法中所獲得洪水洪峰流量計算值受小區(qū)域洪水重現(xiàn)期頻率P的影響非常大。對于同頻率條件下，三種計算方法所獲得的設(shè)計洪水洪峰流量值的大小，主要取決于室外排水公式法中暴雨歷時長度的選取值，即：水利部門提出使用的推理公式法和經(jīng)驗公式法（綜合單位線法），比較適用于重現(xiàn)期較大的匯水區(qū)域設(shè)計洪水洪峰流量計算；而城建部門所提出的室外排水公式法，比較適用于重現(xiàn)期較小，暴雨洪水發(fā)生較為頻繁的小匯水區(qū)域設(shè)計洪水洪峰流量計算。由于水利部和城建部提出的兩類設(shè)計洪水計算方法其規(guī)劃設(shè)計出發(fā)點有很大差異，因此兩種方法不可相互利用，也不可在設(shè)計計算過程中取兩者的平均值，否則會影響到城市防洪工程的綜合造價，甚至產(chǎn)生安全問題。

5 結(jié)束語

在城市小匯水區(qū)域設(shè)計洪水計算過程中，無論采用哪種產(chǎn)流和匯流計算經(jīng)驗公式和方法，均應(yīng)通過實地查勘等技術(shù)手段，盡量獲得本流域或附近相似流域完善準確的實測資料數(shù)據(jù)，并結(jié)合城市防洪工程的實際情況對各項參數(shù)進行全方位的分析和檢驗。洪水設(shè)計計算過程中的參數(shù)值設(shè)定和選取應(yīng)根據(jù)所選用公式和方法的形式及其均化和概化條件來確定，確保觀測分析值和實際設(shè)計計算方法相一致的原則。在洪水洪峰流量計算過程中，應(yīng)選用幾種不同的計算方法進行相互印證，但不可簡單選用幾種方法計算數(shù)據(jù)的平均值，而需要通過該區(qū)域歷時洪水資料作反推印證參考，以期獲得符合城市小匯水區(qū)域設(shè)計洪水實際情況的計算方法，為城市防御小流域洪水提供準確可靠的工程設(shè)計數(shù)據(jù)成果。

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