基于推理公式的典型小流域防洪計算分析

崔積家，桑國慶，袁　泉（.山東省水利勘測設(shè)計院，山東濟南5004；.濟南大學(xué)，山東濟南500；.山東省工程咨詢院，山東濟南500）

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基于推理公式的典型小流域防洪計算分析

崔積家1，桑國慶2，袁泉3
（1.山東省水利勘測設(shè)計院，山東濟南250014；2.濟南大學(xué)，山東濟南250022；3.山東省工程咨詢院，山東濟南250013）

【摘要】本文將傳統(tǒng)推理公式應(yīng)用于山洪防災(zāi)對象的洪峰流量計算中，基于ArcHydro提取小流域參數(shù)，采用EXCEL編程迭代求解，計算典型流域5個防災(zāi)對象不同設(shè)計頻率下的洪峰流量及匯流時間，提高了運算精度和效率，可為山洪災(zāi)害防治小流域洪峰批量計算提供參考。

【關(guān)鍵詞】小流域；防洪減災(zāi)；推理公式

威海市文登區(qū)地處膠東半島東南部，頻臨黃海，是暴雨多發(fā)地區(qū)，暴雨多由強對流、臺風(fēng)等造成，所形成的洪水具有陡漲、陡落特點。由短歷時暴雨引發(fā)的山區(qū)地表徑流，易造成河道水位猛漲，產(chǎn)生漫堤、水庫潰壩、農(nóng)田淹沒等一系列山洪災(zāi)害，給區(qū)域內(nèi)人民生命和財產(chǎn)造成重大損失。本文選取的典型流域包括亮夼、小界石、大界石村（界石鎮(zhèn)駐地）、場東和板橋5個重點防災(zāi)對象。在小流域劃分的基礎(chǔ)上，基于1∶5萬DEM進行各防災(zāi)對象以上匯流參數(shù)計算。

1　推理公式計算原理

推理公式是一種利用成因推理，并結(jié)合經(jīng)驗分析的暴雨洪水計算方法。推理公式法結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)較為簡單，對資料條件要求不高，特別適用于無資料地區(qū)小流域的設(shè)計洪水計算。本文利用該方法進行山洪防災(zāi)對象的設(shè)計洪水計算。

1.1計算原理

按照《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》，參考中國水利水電科學(xué)研究院推理公式計算各子流域的洪峰流量和匯流時間。公式如下：

Qm，p為設(shè)計P頻率下的洪峰流量，m3/s；F為流域面積，km2；τ為匯流歷時；tc產(chǎn)流歷時；L為沿主河道從出口斷面至分水嶺的最長距離；J為沿流程L的平均比降；μ為損失強度；n為暴雨衰減系數(shù)；m為匯流參數(shù)；θ為流域特性參數(shù)θ=L/J1/E· F1/4；其中F、L、J參數(shù)值，由ARC－h(huán)ydro提取。Sp為雨力，即t=1h頻率為P的平均雨強，mm/h，對于各頻率下Sp由年24h最大降雨量計算：Sp= H24，p24n－1。

1.2計算流程

1）以產(chǎn)流模型計算成果作為輸入，由各時段凈雨統(tǒng)計得降雨過程t歷時內(nèi)的凈雨總量。2）部分匯流時，τ＞tc，計算tc、τ、和Qm。假設(shè)匯流時間，由公式計算對應(yīng)的洪峰流量。3）根據(jù)流量及匯流參數(shù)，由公式計算匯流時間。4）重復(fù)第2）、3）步，通過不斷假設(shè)和試算，直到為止，此時對應(yīng)的流量和匯流時間即為所求。5）根據(jù)以上計算的洪峰流量，按照該匯流分區(qū)對應(yīng)的洪水概化過程線可得到對應(yīng)的洪水過程數(shù)據(jù)。

1.3洪水過程線推求

文登區(qū)流域洪水過程線可以利用《山東省水文圖集》中提出的概化過程線表推求，如圖1所示。

式中：Qm為計算的洪峰流量、tp為設(shè)計洪水流量過程的漲水歷時，h；φ流域經(jīng)驗系數(shù)，小于和等于5km2為1.70，大于5km2、小于等于50km2為1.6，大于50km2為1.5；Rt為推求洪峰流量的平均凈雨深mm。洪水總量用以下公式計算。

圖1　洪水概化過程線

2　基于ArcHydro的小流域參數(shù)提取

以1∶5萬DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用ArcHydro工具提取推理公式計算所需要的參數(shù)數(shù)據(jù)。本文利用Archydro工具，提取小流域流域面積F、最長匯流路徑長度L、入口高程、出口高程、最長匯流路徑比降等參數(shù)，為推理公式計算提供可靠數(shù)據(jù)。5個典型防災(zāi)對象提取的基礎(chǔ)參數(shù)見表1。

表1　小流域內(nèi)各防災(zāi)對象匯流參數(shù)統(tǒng)計

表2　流域5個防災(zāi)對象洪峰及匯流時間表

3　典型小流域計算實例

根據(jù)提取的各防災(zāi)對象匯流參數(shù)數(shù)據(jù)，可進行推理公式運算，求解洪峰流量和匯流時間。推理公式求解可采用圖解法、簡單迭代法和牛頓迭代法分析法。本文中采用EXCEL中單變量求解工具進行迭代求解，簡化了計算過程，典型流域5個防災(zāi)對象不同設(shè)計頻率下（5年、10年、20年、50年、100年）的洪峰及匯流時間成果見表2。

4　結(jié)語

本文利用傳統(tǒng)推理公式引入山洪災(zāi)害防災(zāi)對象的洪峰計算中，分別計算各防災(zāi)對象匯流時間和洪峰，主要結(jié)論如下。

1）以往推理公式中的參數(shù)多采用估計或手動量測，計算較為繁瑣，且準確性有限。本文基于DEM數(shù)據(jù)，利用ArcHydro提取小流域各防災(zāi)對象參數(shù)，可提高推理公式中各參數(shù)的準確度。

2）在公式求解中，采用EXCEL中單變量求解迭代求解，有效提高了運算精度和效率，可為山洪災(zāi)害防治小流域洪峰批量計算提供參考。

（責(zé)任編輯趙其芬）

作者簡介：崔積家（1979—），男，工程師

收稿日期：2015-08-10

【中圖分類號】X321

【文獻標識碼】B

【文章編號】1009-6159（2016）-02-0020-02