無資料地區特小流域設計洪水計算方法分析

綦 晶，薛 蓮

(1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，長春 130021；2.呼倫貝爾市水資源管理站，呼倫貝爾 021000)

無資料地區特小流域設計洪水計算方法分析

綦 晶1，薛 蓮2

(1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，長春 130021；2.呼倫貝爾市水資源管理站，呼倫貝爾 021000)

針對特小流域水文資料、設計洪水推算難的問題，研究計算簡便、計算精度較高的洪水計算方法，對指導特小流域洪水設計具有重要意義。文章結合現階段特小流域設計洪水常用的幾種計算方法，分析了不同計算方法的特點及其適用性，并以南溝子流域設計洪水推算為例，對兩種常見的特小流域洪水計算方法進行橫向比較。

無資料地區；特小流域；設計洪水；計算方法

0 前 言

我國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、灌溉工程等對地區農業及防洪都具有重要意義，而水利建筑物的設計需要依據小流域某種頻率的設計洪水[1-3]。特小流域與其他類型流域相比，除集水面積小之外，在暴雨洪水產流、匯流方面也具有獨特的特點。對于特小流域洪水設計計算，國內外學者進行了大量的研究，總結了很多理論公式和計算方法，文章在分析特小流域不同洪水計算方法適用性和優缺點基礎上，結合南溝子流域設計洪水計算實例，探討適合本地區的特小流域設計洪水計算方法。

1 特小流域設計洪水計算方法分析

流域設計洪水計算由來已久，并且在運用過程中不斷進行充實和完善，計算精確度也逐步得到提升。20世紀80-90年代，小流域水利工程設計洪水計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，運用簡單的估算方法對設計洪水進行推求，不確定因素太多，計算精度較低[4]。近年來計算機技術的不斷進步，目前，小流域設計洪水計算采用的設計方法有推理公式法、一院兩所法、瞬時單位線法等。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，對于特小流域設計洪水計算一般不采用。下面對2種常用的特小流域計算方法進行簡要介紹。

1)推理公式法。該方法使用之前需要把計算流域的產流、匯流條件都均化和概化，再將水流運動方程和連續方程聯立求解，推導計算得到計算流域出口斷面洪峰流量公式。在確定穩定入滲率fc之后，按照一定標準的入滲率將凈雨劃分為兩部分，即地表凈雨和地下凈雨，在根據所計算流域特征參數推求洪水參數m。繪制洪峰流量與流域匯流時間、洪峰流量與時間兩種關系曲線，得到地表洪峰流量。根據計算得到的地表洪峰流量求地下洪峰流量，根據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計洪峰流量。

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。該方法最大特點在于計算過程中取代了矩形概化線性分配，并用最大同時匯流面積非線性分配進行代替，這樣可以使計算過程與洪峰形成規律更加吻合。同時計算中考慮坡面流忙流因素、變動的洪峰徑流系數、斷面擴散系數等因素，使得一院兩所法更適用于特定流域的設計洪水推算[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境內，為嫩江右岸一級支流，發源于臨江鄉東南部的111國道西側，由東至西橫穿臨江鄉，最后在多金村南側注入嫩江。南溝子是多金河右岸的一條支流，發源于臨江鄉東南方，先后流經臨江鄉、新立屯，在多金村附近匯入多金河。南溝子河道總長15.86km，河道平均比降4.72‰。

2.2 氣象

南溝子流域屬中溫帶季風氣候區，冬季寒冷干燥，歷時長；春季多風，蒸發量大、濕度小；夏季溫濕多雨；秋季降溫急驟，歷時短。年內及年際氣溫變化較大。據嫩江氣象站資料統計，本區多年平均氣溫-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。該地區多年平均水面蒸發量663mm，受日照、風、植被、氣溫等因素的影響，蒸發量年內分配極不均勻，每年的4-6月由于日照增強，升溫快，風速大，濕度小，蒸發量大，占全年蒸發量的50%以上。南溝子流域處于山區向平原過渡的丘陵地帶，春秋季節風沙大，地面風向以NE-NW為主。

2.3 洪水

南溝子流域沒有設立水文測站，屬無資料地區。本次設計洪水采用一院兩所法計算50a一遇設計洪水。控制斷面位于南溝子中游，新立屯西南側，斷面以上河道長度為7.72km，河道平均坡度7.06‰，匯水面積20.6km2。

3 特小流域設計洪水計算方法應用及比較

3.1 不同設計洪水計算方法應用

1)一院兩所法是鐵道部第一設計院、中國科學院地理研究所和鐵道部科學研究院西南研究所共同提出的小面積洪水計算方法，其計算公式為：

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匯水的時間系數；P為形成洪峰流量的同時匯流面積系數；n為隨暴雨衰減指數n而變的指數；Y為反映流域匯流特征的指數。

選取某一控制斷面，計算參數取值如表1所示。經計算控制斷面處設計洪水計算成果為131 m3/s。

表1 控制斷面設計洪水計算參數表

2)推理公式法計算公式如下：

(2)

(3)

式中：F為計算流域面積；τ為匯流時間；m為匯流參數；L為主干流長度；Ht為相應t時段的最大凈雨；J為河道干流比降。

經復核推求得到，南溝子流域P=2%設計洪峰流量為123m3/s。

3.2 不同設計洪水計算方法比較分析

本次設計洪峰計算采用推理公式法和一院兩所法2種方式，計算得到的南溝子流域洪水參數結果較為接近，P=2%設計洪水相差6.0%。歷史洪水法與查找圖表法由于存在較大的人為誤差，文章對其不予比較討論。通過推理公式法與一院兩所法相互復核，通過確定的入滲率劃分不同時段地表和地下凈雨，這種計算方法計算精確度較高，且考慮因素較為全面，因此結果可信度高。特別是針對南溝子流域的一院兩所法計算中將流域下墊面參數進行實際考察認證，據此推算確定洪水參數m，能夠較為真實地反映計算流域下墊面情況[7-8]。雖然在計算過程中也將產流、匯流條件進行了適當的均化與概化，但在此基礎上通過結果分析與理念洪水調查復核，對計算結果影響較小，計算方法可行，成果基本可靠。

4 結 語

1)特小流域洪水水流存在產流和匯流情況，且受到暴雨時空分布和流域下墊面情況的制約，下墊面會對流域(特別是坡面)調蓄能力和水源補給情況造成影響，最終會在在洪水參數m反映。因此，特小流域設計洪水推算的關鍵在于確定洪水參數，一院兩所法根據大量的洪水調查為依據，具有不同類型洪水參數的計算公式，適合流域面積在30km2以下工程中應用，尤其是面積小于10km2的特小流域設計洪水計算中。

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

[1]石煒,徐永波,陳娟,等.華東地區小流域設計洪水計算方法探討[J].水利規劃與設計,2015(12):29-31.

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

[3]盧祖貴.淺析華東地區特小流域設計洪水計算方法[J].水電站設計,2011(01):84-86.

[4]王克平,許清香,馮民權.無資料地區小流域設計洪水計算方法研究[J].電網與清潔能源,2008(07):56-59.

[5]董秀穎,劉金清,葉莉莉.特小流域洪水計算概論[J].水文,2007(05):46-49.

[6]陳少平.漢中地區特小流域設計洪水計算方法的探討[J].西北水力發電,2006(S1):87-89.

[7]李青山,王好.基于無資料地區推求小流域設計洪水的實例剖析[J].黑龍江水利科技,2012(01):57-59.

[8]王好,管延海.無資料地區推求小流域設計洪水的探討[J].吉林水利,2011(11):37-40.

1007-7596(2017)10-0041-02

TV122.3

B

2017-09-18

綦晶(1983-)，女，遼寧鞍山人，工程師，研究方向為工程水文；薛蓮(1983-)，女，河南沁陽人，高級工程師，研究方向為水利工程和水資源管理。