華東地區小流域設計洪水計算方法探討

石 煒，徐永波，陳 娟，許廣東

（1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇淮安223005；2.江蘇省水文局宿遷分局，江蘇宿遷223800）

華東地區小流域設計洪水計算方法探討

石 煒1，徐永波1，陳 娟1，許廣東2

（1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇淮安223005；2.江蘇省水文局宿遷分局，江蘇宿遷223800）

通過分析小流域設計洪水計算的3種方法，以推理公式為主、輔以華東地區特小流域參數法、瞬時單位線法印證，進行橫向比較分析，尋找簡便適用的計算方法。

特小流域；設計洪水；計算方法

1 小流域特點

小流域設計洪水計算，與大中流域相比，有許多特點，并且廣泛應用于鐵路、公路的小橋涵、中小型水利工程、農田、城市及廠礦排水等工程的規劃設計中，因此水文學上常常作為一個專門的問題進行研究。

小流域設計洪水計算的主要特點是：①絕大多數小流域都沒有水文站，缺乏實測徑流資料，甚至降雨資料也沒有。②小流域面積小，自然地理條件趨于單一，擬定計算方法時，允許作適當的簡化，可以作出一些概化的假定。例如假定短歷時的設計暴雨時空分布均勻。③小流域分布廣、數量多。因此，所擬定的計算方法，在保持一定精度的前提下，將力求簡便，一般借助水文手冊即可完成。④小型工程一般對洪水的調節能力較小，工程規模主要受洪峰流量控制，因此對設計洪峰流量的要求，高于對洪水過程線的要求。

2 小流域設計洪水的計算方法及原理

華東地區常用的設計洪水計算方法有以下3種：綜合瞬時單位線法、推理公式法和華東地區特小流域參數法。

（1）瞬時單位線法。基本假定是設凈雨過程相當于流域入流，經過一系列n個相同的線性水庫調蓄作用，形成出口斷面的徑流過程。根據匯流參數選擇時段單位線，乘于各時段的地表凈雨及面積，并逐段相錯一個時段進行疊加即得地表洪水過程線。

（2）推理公式法。計算原理是先把流域的產流、匯流條件均化、概化后，根據水流的連續方程和運動方程聯立求解，推導出流域出口斷面洪峰流量的計算公式。確定穩定入滲率fc值，用fc值將各時段的凈雨分割成地表和地下凈雨2部分，由設計流域的特征參數推求m值，通過繪制Qm～τ（Ⅰ～Ⅰ線）和Qm～t（Ⅱ～Ⅱ線）2條關系曲線，求得設計地表洪峰流量；將計算得到的地下洪峰流量，按照等腰三角形分配，即得設計地下洪峰流量。地表和地下洪峰流量相加就是所求的設計洪峰流量。

圖1 Qm～τ（Ⅰ～Ⅰ線）和Qm～t（Ⅱ～Ⅱ線）關系曲線

（3）華東特小流域參數法。該方法由華東電力設計院與水科院水資源所王維新等人根據特小流域雨洪的特性，應用推理公式的基本理論，經過大量分析華東地區的許多測站洪水特征，探求特小流域的雨洪特性和參數變化規律，根據地區流域下墊面類型，因地制宜地將各流域的洪水參數分成5類，分別建立各種類型的洪水參數計算公式，從而推求出洪峰流量的設計方法。

3 小流域設計洪水計算方法的應用和比較

3.1 工程實例

以筆者參加的福建省某沿海山丘區排澇規劃為例，用不同方法分別計算區內各支流20年一遇設計洪峰流量。

本流域及其3條支流的流域特征參數見表1。

表1 各分區流域特征參數

該流域缺乏實測雨量資料，根據地區暴雨等值線圖集查得H1，5%=85.2mm、H6，5%=172.6mm，H24，5%=235.2mm，該區域下滲能力約3.5mm/h。

3.1.1 推理公式法

基本計算公式如下：

式中：Q—地表洪峰流量，m3/s；h—匯流歷時內最大凈雨量，mm；F—流域面積，km2；τ—匯流時間，h；L—自計算斷面起沿主河道至分水嶺的距離，km；J—沿流程L的平均比降，‰；θ、m—匯流參數。

經過復核計算，各支流設計洪峰流量成果見表2。

表2 福建省推理公式法計算洪峰成果

3.1.2 華東地區特小流域參數法

華東特小流域參數法基本原理與福建省推理公式法一樣，只是匯流參數不同，根據華東特小流域參數分類，本流域以旱地、荒草坡為主兼有稀疏灌木林（夾有雜草）、幼林、經濟林。土層較薄，巖石裸露明顯。河道兩岸草木稀少，有少量塘壩、魚鱗坑等間歇性水流，屬于下墊面第Ⅲ類，θ、m計算公式如下：

經過復核計算，各流域設計洪峰流量成果見表3。

3.1.3 瞬時單位線法

計算公式如下：

福建沿海地區：

式中：u（o，t）—瞬時單位線縱標；Γ（n）—n階的伽馬函數；t—時間，h；n—相當于水庫數或調節次數；k—調蓄系數，相當于流域匯流時間的參數；m1—瞬時單位線滯時參數，亦稱瞬時單位線1階原點矩；m1，i=10—降水量為10mm時的瞬時單位線1階原點矩。

經過復核計算，各流域設計洪峰流量成果見表4。

表4 瞬時單位線法計算洪峰成果

3.2 不同方法計算成果比較

3種方法計算成果對比見表5。

表5 不同面積洪峰成果對比m3/s

圖2 面積-洪峰關系

根據表5中3種方法計算成果，當流域面積在10km2以下推理公式法與華東地區特小流域參數法成果相當，瞬時單位線法偏小；隨著流域面積增大，華東特小流域參數法成果開始偏小，線性突變轉折，誤差也逐漸增大；瞬時單位線法斜率幾乎沒有變化；而推理公式法斜率略變平緩，符合排澇模數隨著面積增大而減小的客觀規律。

不同流域面積，計算成果差別較大，主要原因是3種方法參數率定側重點不同，造成適用范圍有差別。

華東特小流域參數法，針對的是華東地區小于特小流域（＜10km2）的洪水計算，華東電力設計院和水科院水資源所建立了各種類型洪水參數m的計算公式，對華東地區95個測站的845場洪水做了分析和研究，統計數據中10km2以下的洪水場次占總數的52.5%；10～30km2占30.8%，30～50km2占16.7%，所以其參數對于30km2以上流域適用性相對較弱；推理公式參數法，由各省水文局根據本省內下墊面條件，并結合大量的實測洪水資料率定而來，主要適用于200km2以下流域的計算；瞬時單位線法則比較適合于集雨面積在200～1000km2的流域，小流域洪水相對偏小。

4 結語

綜上所述，筆者認為在華東地區小流域設計洪水計算時，若無水文資料或資料極短缺，僅用一種方法來推求，從可信度來說，顯得不客觀。因此建議以本地推理公式法為主，當小流域面積小于50km2時采用華東特小流域參數法驗證，當流域面積在50～200km2之間時，采用瞬時單位線法驗證，從而提高計算成果精度，滿足使用要求。

［1］王維新，周憲莊，張恭肅，等.華東地區特小流域洪水參數研究［J］.水文，1989（04）.

［2］陳家琦，張恭肅.小流域暴雨洪水計算［M］.北京：水利電力出版社，1985.

［3］福建省水文局.福建省暴雨徑流查算圖表.

TV877

A

1672-2469（2015）12-0029-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.012

石 煒（1981年—），男，高級工程師。