小流域應急監測中洪峰流量計算方法的探討

方宏衛 張麟童 周棟 羅黃來

摘 要：山區型小流域大多屬于水文資料匱乏地區，而此類地區又極易出現暴雨，如何推求極端暴雨事件中的洪峰流量，需要進行研究。以南方某地區的一場典型暴雨為例，通過查算地區暴雨圖集，采用推理公式法、瞬時單位線法計算該次洪水的洪峰流量，與事后通過現場水文調查確定的洪水過程對比分析。結果表明：推理公式法及瞬時單位線法在水文資料較為短缺的情況下，能夠較好地推算洪峰流量及洪水總量，在應對突發水文事件時，此兩種方法具有較大的實際應用價值。

關鍵詞：應急監測；洪峰流量；暴雨圖集；推理公式法；瞬時單位線法

中圖分類號：TV121.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

近年來，受溫室效應、厄爾尼諾及拉尼娜等現象的影響，全球極端氣候災害頻發，極端暴雨事件發生概率急速上升。洪澇災害不僅會造成財產損失，嚴重的還會造成人員傷亡，產生廣泛的社會影響，危害極大，因此，做好極端暴雨事件的監測工作十分重要。水文作為國民經濟和社會發展的基礎性公益事業，在歷次抗災救災中，積極開展應急監測和預測預報，提供各類信息服務，在減少災害損失、保障人民生命財產安全方面起到了不可替代的作用，產生了巨大的社會效益和經濟效益[1]。但受經濟社會發展水平限制及水文現代化站網建設不夠完善的影響，部分地區仍缺乏足夠的基礎水文數據，尤其是中小河流等山洪易發區域，并且近些年來受人類活動影響，眾多流域下墊面情況發生改變，而這些地區又大多是突發自然災害和極端暴雨事件的重災區[2]。如何充分利用現有的水文資料推求小流域在極端暴雨事件中洪峰流量，是值得討論的問題。

1 研究方法及數據來源

1.1 研究方法

采用推理公式法及瞬時單位線法推算洪峰流量。

1.1.1 推理公式法

1.2 數據來源

本次對隨州柳林鎮8·12極端強降雨進行分析計算。柳林鎮位于涢水支流浪河上游雁子河，有太平支流、金銀河及蓮花支流匯入。其所在河流無水文站，有一個基本雨量站柳林店站，有四個水庫雨量站。浪河干流以下3.2 km處有中型白果河水庫，白果河水庫承雨面積60 km2，主河道長16.1 km，流域加權平均比降為3.2‰（見圖1）。

8·12洪災中，根據雨量監測數據顯示，最大1 h雨量112.5 mm，最大3 h雨量285 mm，最大6 h雨量444 mm，最大12 h雨量483.5 mm，最大24 h雨量485.5 mm，百年一遇的強降雨導致該鎮街道受淹，老百姓生命財產受災嚴重，供電、通訊等基礎設施癱瘓。

2 結果分析

通過事發地河段的坐標確定所處流域及地區，利用Arcgis軟件測算出事故發生地距離河源的距離L、流域面積F、河道比降j。分別采用推理公式法和瞬時單位線法對洪峰流量及洪量進行推演，并與當地水文部門的事后洪水調查分析進行對比，分析論證兩種方法在應急監測中的可靠性。

2.1 推理公式法計算結果分析

事發地點洪峰流量按《圖表》中推理公式法，根據流域參數和暴雨成果分別計算地表洪峰流量和地下水流量，兩者疊加而得。

根據《圖表》水文區劃，面雨量由點暴雨經點面折算計算。

2.2 瞬時單位線法計算結果分析

依據《圖表》，事故發生地點屬于水文4分區，根據設計暴雨成果分別計算凈雨過程、地表徑流過程、地下徑流過程等。

1）設計凈雨。根據《圖表》，小流域采用最大24 h雨量時，各時段雨量扣除初損和穩滲后作為凈雨過程。該事故發生地表上游集水面積23 km2，采用最大6 h雨量，僅扣穩損，即得到6 h設計凈雨過程。

2）單位線計算。該事故發生地點位于《圖表》中水文4分區，最終計算得到的瞬時單位線見表4。

根據瞬時單位線推求得洪峰流量560.85 m3/s。

2.3 對比分析

推理公式法及瞬時單位法推求的結果如圖2所示。可以看出，瞬時單位線的洪峰結果比推理公式法的結果略大，這主要是由推理公式法對徑流的計算簡化引起的，推理公式法在計算中僅考慮到地面徑流，并未對槽面降水和地下徑流進行計算，導致結果偏低。兩種方法的洪水過程線差異較大，推理公式法的過程線在經歷洪峰后，過程線下降很快，主要原因是推理公式法沒有考慮地下徑流，導致與瞬時單位線成果存在差異。山區小流域中河流槽面在流域面積中所占比重往往不會太大，而且地下徑流在該地區可以忽略不計[6]，推理公式法和瞬時單位線雖然存在一定差距，但差距并不大，在大部分情況下兩者之間的偏差都可以控制在10%以內。從精度角度考慮，此次控制站點設計洪水選取瞬時單位線法的成果更接近調查值。

根據當地水文部門的事后洪水調查分析，計算斷面的洪峰流量為589 m3/s。

可知，推理公式法及瞬時單位線法推求的洪峰流量較洪水調查的結果相差不大，兩種方法的計算結果偏差分別為8.96%和4.78%，均小于10%。

3 結論

本文利用推理公式法、瞬時單位線法計算突發暴雨事件的洪峰流量，并與事后進行的高精度洪水分析對比，得到如下結論。

（1）選取的推理公式法、瞬時單位線法成果與洪水調查成果偏差均小于10%。此兩種計算方法原理簡單，在面對突發水文事件時，均有較大的應用前景。

（2）推理公式法在原理上，假定了流域內產流強度在時間和空間上保持恒定不變，即降雨量和地面下滲量在時空分布上具備一致性，應用條件比較局限。在我國多數省份的水文手冊中，推理公式的適用范圍都是小流域（流域匯水面積小于100 km2）。同時，在實際應用中，匯流參數的敏感性很高，多數資料表明其值隨凈雨量的增加而遞減，隨著流域面積的增大而遞增，因此，采用推理公式法時，匯流參數的選用既要考慮流域特性，也要考慮當次暴雨的等級，特別是很多山丘區村莊經人類活動影響后，坡面匯流變成管網匯流的情況需要格外重視。

（3）瞬時單位線法一般適用于1 000 km2以下的流域，在水文設計領域被廣泛使用。但是各省水文手冊的編制年代久遠，大多是上世紀八九十年代，由于人類活動和受水網調整的影響，部分地區的產匯流參數已不滿足實際的需求，因此在使用瞬時單位線法計算設計洪水時，建議對部分參數通過實測洪水資料反推的方法進行參數率定，以提高模型的適用性及精準度。

（4）推理公式法的計算公式中主要是針對洪峰，而不注重洪水過程，如果需要洪水過程或者洪水總量，選取瞬時單位線法得到的成果更接近真實值。

參考文獻：

[1]廖慶龍.推理公式法在山區小流域設計洪水計算中的應用[J].廣西水利水電，2022（2）：18-21.

[2]蓋永崗，付健，李超群.推理公式計算淤地壩設計洪峰時暴雨遞減指數取值研究[J].人民黃河，2021，43（10）：67-69，80.

[3]辛璐君，劉燕，郭建青，等.水科院推理公式對數據誤差傳遞作用的初步分析[J].南水北調與水利科技，2013，11（2）：14-17.

[4]龐志平，董潔，李敏.青海省無資料地區小流域設計洪水計算方法合理性分析[J].北京水務，2021（2）：37-40.

[5]朱勇，陸泳舟，王世昭，等.無資料地區設計洪水計算方法應用研究[J].水利規劃與設計，2021（3）：34-37.

[6]孫文杰，梅國棟，王莎，等.推理公式法和瞬時單位線法在尾礦庫洪水計算中的對比分析[J].有色金屬工程，2022，12（9）：122-127.

Abstract：Mountainous small watersheds are often areas with scarce hydrological data，yet susceptible to rainstorms. It is necessary to research how to estimate peak flow rates during rainstorm. Taking a typical rainstorm in south China as an example，we calculated the peak discharge of flood by using the inference formula method and the instantaneous unit hydrograph method based on checking the regional rainstorm atlas. We also analyzed the flood process by comparing the calculated result with on-site hydrological survey. Result shows that in the case of a shortage of hydrological data，both the inference formula and the instantaneous unit hydrograph method can estimate the peak discharge and total flood volume reasonably well. When responding to sudden hydrological events，these two methods have significant practical value.

Key words：emergency monitoring；peak discharge；rainstorm atlas；inference formula method；instantaneous unit hydrograph method