貴州省暴雨洪水計算實用手冊應用概述

劉冬梅，羅永強，郭應潔

(1. 貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽550002;2. 貴州東方世紀科技有限責任公司，貴陽550002)

1 概 述

貴州省水利廳1983年編制完成的《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》(以下簡稱《手冊》)，多年來在貴州省各個部門得到廣泛應用，對中小流域，特別是無實測洪水資料地區(qū)設計洪水的計算、復核發(fā)揮了重要作用，已成為全省中小流域無資料地區(qū)設計洪水計算的“實用手冊”。

1988年，原編制單位針對小匯水流域雨洪計算公式的計算成果存在的偏差，編制完成了“貴州省暴雨洪水計算實用手冊(修訂本)——小匯水流域部分”(以下簡稱《修訂本》)，并經(jīng)貴州省水利廳審閱，已作為《手冊》補充計算方法廣泛應用［1］。

貴州省水文水資源局完成的《貴州省特小流域暴雨洪水計算標準》研究報告，對《修訂本》中10≤F ＜25 km2條件下的洪峰流量計算公式進行了調(diào)整。根據(jù)《手冊》及《修訂本》的計算方法和原理將其編成軟件，并集成在《工程水文分析計算集成應用軟件PHAC》中，對《手冊》的應用起到一定的推動和標準化作用。

本文簡述《手冊》的計算原理及其應用，并根據(jù)多年實踐經(jīng)驗，針對應用中的一些問題提出處理意見，希望能對貴州省暴雨洪水計算及其發(fā)展有所裨益。

2 計算方法

設計洪水由洪峰流量QP、洪量WP及洪水過程線Qi～t 三要素組成，《手冊》及《修訂本》對各要素的推導情況簡述如下:

2.1 洪峰流量計算公式

《手冊》采用陳家琦《小流域暴雨洪水計算》推理公式法，兩個基本方程為:

聯(lián)解:代入?yún)?shù)n、β、a 和b，得:

1)當300≤F ＜1000 km2時:

2)當25≤F ＜300 km2，且θ ＞30 時:

3)當25≤F ＜300 km2，且θ ≤30 時:

4)當10≤F ＜25 km2時:

5)當1≤F ＜10 km2時:

以上洪峰流量計算公式中，字符的意義，詳見《手冊》及《修訂本》。參數(shù)可分為3 類:①流域特征參數(shù)F、L 和J，根據(jù)地形圖量算;②暴雨參數(shù)，以雨量參證站歷年最大1 d降水量通過p －Ⅲ型頻率曲線適線，得統(tǒng)計參數(shù)由此得KP，并用確定最大24 h點雨量均值，當F ＜10 km2時，需要通過計算SP;③產(chǎn)匯流參數(shù)γ(或γ1)、C(或C1)，γ 和C 根據(jù)選擇的分區(qū)由《手冊》附表(10)和附表(9)查算，γ1和C1由《修訂本》“表1 －2”和“表4”查算，參數(shù)確定后，即可計算QP。因采用平均的暴雨衰減指數(shù)計算，最后需要對QP進行修正，利用n2、n3和τ，在《手冊》附表(13)查得換算系數(shù)Kh，則Qpn= KhQP。

2.2 洪水總量

由暴雨計算設計洪水，其設計洪量為時段洪量，是指某時段暴雨所產(chǎn)生的相應洪量?！妒謨浴凡捎脮r段為24 h，其設計洪量W 按24h 流域設計面雨量H24產(chǎn)生的相應徑流深h24計算，即W =0.1 h24F。

對于徑流深h24，可簡單理解為徑流系數(shù)C 與流域設計面雨量H24的積(CH24)，但《手冊》的徑流系數(shù)C 指的是洪峰徑流系數(shù)，表示在匯流時間τ 內(nèi)，最大徑流深與最大降水量的比值(hτ/Hτ)，由于匯流時間τ 內(nèi)的降雨強度＞24 h的降雨強度，故其洪峰徑流系數(shù)也＞24 h的徑流系數(shù)，由此計算的洪量偏大。

《手冊》采用扣損法計算徑流深h24，即設計面雨量H24在τ 時段內(nèi)扣除穩(wěn)定雨損Hs，τ ～24h 時段扣除附加雨損(其中:則h24= H24－(Hs+ △Hs)。以《手冊》松柏山水庫算例P =0.1% 降雨為例，CH24=198 mm，而h24=189 mm，前者大4.8%。

2.3 洪水過程線

《手冊》的洪水過程線，為20個節(jié)點的概化單峰型洪水過程線，表示1 次降雨(24 h)產(chǎn)生的1 次洪水過程。在匯流分區(qū)的基礎上，按洪水形狀系數(shù)σ全省分為三級(σ =0.30，0.25及0.20)進行地區(qū)綜合，成果見《手冊》附表(15)。

洪水過程線計算時，在計算出QP的基礎上，利用下式計算τ:

按《手冊》，最大24 h降雨產(chǎn)生的徑流深h24形成洪水總量，洪峰徑流深hτ形成矩形概化洪水過程線的洪量，△h = h24－h(huán)τ作為附加安全洪水徑流深，附加于概化洪水過程的退水部分。其比例系數(shù)K 為:

式中:a0為概化線漲水面積和總面積的比值。

應用時，在計算出h24和hτ的基礎上，由匯流分區(qū)在《手冊》附表(15)選定概化洪水過程及a0，計算退水放大比例系數(shù)K，因Tm= τ，可求出洪水過程線，時間為t = ［t/Tm］× τ，洪峰出現(xiàn)時間為tQm，退水部分t = tQm+［t/(Tm)× τ － tQm× K］(說明手冊原計算式有誤，按王繼輝教授的意見修改)，流量為Qt［Qt/Qm］×Qp，其中的［t/Tm］、［Qt/Qm］為概化洪水過程線坐標值。

3 軟件編制

從《手冊》及其《修訂本》的計算原理和方法可見，應用中先要作一些必要的判斷，依據(jù)流域面積F和流域的幾何特征值θ，確定洪峰QP的計算公式;根據(jù)設計流域特性和地理位置，選擇匯流參數(shù)γ 的分區(qū)和大暴雨時面深分區(qū)，然后是大量的查表和繁瑣的計算。因此，將其電算化十分必要，為此，貴州省水利水電勘測設計研究院根據(jù)《手冊》編制了暴雨洪水計算軟件，軟件輸入簡便、界面實用、成果規(guī)范、準確。

3.1 軟件輸入

3.2 人機界面

軟件按照輸入?yún)?shù)，自動選用洪峰QP公式，按γ分區(qū)查算γ(或γ1 )均值，洪峰徑流系數(shù)C 均值，并計算從而得到在產(chǎn)匯流參數(shù)取均值情況下的成果，然后，用戶可根據(jù)流域特征對γ 和C 做適當調(diào)整，即可得到不同設計頻率的洪水過程線圖表。

3.3 輸出成果

軟件提供了15個固定設計頻率及1個任意頻率的中間計算參數(shù)成果表，以及用戶自選設計頻率的洪水過程線圖表，輸出成果規(guī)范，數(shù)據(jù)準確。

由表1 可見，電算值與《手冊》數(shù)據(jù)的誤差均在1%以內(nèi)，因《手冊》所列算例對過程線退水部分進行峰后降雨修正計算有誤，使其過程線總量W 比設計洪量Wh24偏大，軟件對此進行了處理，因此二者差別很小。

4 應用中存在的問題及處理意見

4.1 基本參數(shù)的確定

前述基本參數(shù)中，流域面積F 指地表分水嶺范圍，閉流區(qū)(麻窩地、暗河、伏流等)面積≤20%的明流區(qū)，若閉流區(qū)面積＞20%，應只計算明流區(qū)產(chǎn)生的洪水，閉流區(qū)洪水采用調(diào)查、實測等方法確定，然后疊加形成總的洪水;河長L 指從分水嶺到出口斷面的主河道長度，地形圖上分水嶺一帶一般無河流線，可沿地形低洼處延長河流線;比降J 指沿河長L 縱斷面的加權坡降，不能簡單以總落差除河長L 求得，其計算公式為:

《手冊》將全省劃分為Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3共5個匯流參數(shù)分區(qū)，匯流參數(shù)γ 從小到大為Ⅰ2、Ⅱ3、Ⅰ1、Ⅱ2、Ⅱ1，以設計流域的地形、巖溶、植被狀態(tài)為主來選擇分區(qū)，《手冊》表(10)中的“典型代表地區(qū)”為輔助選擇條件，在選擇最小(Ⅰ2)和最大(Ⅱ1)作為設計流域分區(qū)時，建議做充分的論述，以免洪水過于偏小或偏大。

《手冊》給出的γ(或γ1)值最大差別為114%，均值差別為77.5%，在具體的某一區(qū)域，如Ⅰ1區(qū)，最小值(0.05)和最大值(0.06)差別為20%(對洪峰的影響為18.3%)，因此選擇匯流參數(shù)分區(qū)及確定γ 值很關鍵，要慎重。

匯流參數(shù)分區(qū)確定后，產(chǎn)流分區(qū)相應得到確定，在《手冊》洪峰徑流參數(shù)C 查值表(9)中，有均值、最小值～最大值，一般選擇均值查算，在軟件計算時，劃分為9個查值系列，以適應不同的產(chǎn)流情況。

4.2 不同公式對洪峰流量計算的影響

根據(jù)流域面積F 和流域的幾何特征值θ，《手冊》及《修訂本》將洪峰流量計算公式分為5個級別，3個分界點，適用范圍為1≤F ＜1 000 km2。以《手冊》松柏山水庫數(shù)據(jù)為基礎(P =0.1%的H24P=273.6 mm，C =0.83)，以不同的流域特征參數(shù)F、L和J，計算分界點的洪峰流量見表2(表中流域幾何特征參數(shù)為假定值)。

表1 松柏山水庫算例數(shù)據(jù)比較

表2 計算分界點的洪峰流量

在分界點300 km2處，可用《手冊》3 －5 －3 式、3－5 －2 式(θ ＞30)，和《修訂本》修訂1 式(θ ≤30)計算，《手冊》的兩個公式相差0.21%，修訂1 式略大4.17%。

在分界點25 km2處，可用《手冊》3 －5 －2 式(θ＞30)，《修訂本》修訂1 式(θ≤30)，修訂2 式，以及特24 h式和特6 h式計算，3 －5 －2 式比修訂1 式小31.1%，修訂1 式與修訂2 式一致，特24 h式比修訂1 式大5.3%，特24 h式和特6 h式一致。

在分界點10 km2處，可用修訂2 式，特24 h式和修訂3 式計算，前兩式相差4.6%，修訂3 式比特24 h式大28.5%。因此建議，在F ＞25 km2附近，若仍采用《手冊》3 －5 －2 式計算，參數(shù)(γ 和C)應偏大取值;在10 ＜F ≤25 km2范圍，采用特24 h式計算，靠近25 km2時參數(shù)略取小值，靠近10 km2時參數(shù)偏大取值;在靠近F ＜10 km2采用修訂3 式計算時，參數(shù)略取小值。如圖1 所示。

圖1 分界點參數(shù)取值趨勢線圖

4.3 設計洪量問題

對于設計洪量，《手冊》按24 h雨量的徑流深h24計算，即W = 0.1 h24F。設計流域的某一設計頻率P 的洪水，當洪峰徑流系數(shù)C 增加，將導致Qp增加，τ減小，［24 －τ］增大，而h24= H24－(Hs+24 －τ)將減小，從而使洪量減小，這里需要正確理解洪峰徑流系數(shù)與洪水過程徑流系數(shù)不同的概念。

由于《手冊》中τ (≤24)內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)定雨損Hs為常數(shù)，隨著流域面積減小，τ (≤24)減小，雨損增加，導致徑流系數(shù)C 減小，因此，有時會出現(xiàn)h24＜hτ的不合理情況，《手冊》認為此時“計算流域的匯流特性已超出使用范圍，不宜應用”。

基于此，在軟件計算中，若遇到h24＜hτ時，采用hτ計算設計洪量，這與《手冊》第35 頁談到用h24和hτ兩種方法計算洪量的思路是一致的。

4.4 洪水過程線

《手冊》洪水過程線通過概化過程線坐標點計算，其峰現(xiàn)時間tm和總歷時Σt 由矩化歷時Tm控制，因為取Tm= τ，故取決于τ。3 條概化線分別為tm=(0.55、0.6 或0.72)τ，Σt =(5、4 或3.33)τ。

由于τ 隨洪峰流量QP增加而減小，因此，洪峰越大，峰現(xiàn)越早，過程線越短，從而導致不同頻率的過程線末端出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。

與其他常用的暴雨洪水計算方法比較，“一院兩所法”的洪水過程線，也是大洪水的洪峰先出現(xiàn)，但總歷時Σt 更長;而單位線法、水科院推理公式5 點概化線法，各頻率的洪峰歷時、過程線總長相同。

軟件計算中，在遵循《手冊》的前提下，做了如下局部調(diào)整:

1)對退水段做微小修正，使由洪水過程線計算的洪量等于設計洪量。

2)將各頻率的洪水過程線結束點統(tǒng)一，以避免末端出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。

3)提供一個比較方案，即將洪峰歷時統(tǒng)一，因為按照“實測典型洪水過程線放大”法，其洪峰歷時tm、過程線總歷時Σt 是一樣的，這種處理與單位線法、水科院推理公式5 點概化線法類似，但與《手冊》不一致，僅供比較。

4.5 關于“1 h暴雨成峰，24 h暴雨成量”問題

當流域面積＜10 km2時，需要計算最大1h 暴雨統(tǒng)計參數(shù)，以便采用修訂3 式計算洪峰流量，同時也要計算最大24 h暴雨統(tǒng)計參數(shù)，以計算洪量。

此類特小流域的τ 很短，約1 ～2 h，洪水過程線總歷時Σt 多在10 ～15 h，將出現(xiàn)洪水過程線先于24 h暴雨結束的不合理現(xiàn)象，這與《手冊》采用的概化過程線有關，可對退水部分進行適當修正，但只要峰量得到控制，集中出現(xiàn)是偏于安全的，也可不用作延長處理。

5 結 語

貴州省水利水電勘測設計研究院根據(jù)《手冊》及其《修訂本》編制的暴雨洪水計算軟件，已在貴州省院、省水文水資源局、水科院，以及各地區(qū)(市、州)、縣得到推廣使用。本文在梳理《手冊》及其《修訂本》暴雨洪水計算原理的同時，對軟件處理情況也作了說明，以期各地更合理地應用《手冊》及軟件。

［1］貴州省水利廳.貴州省暴雨洪水計算實用手冊［S］.貴陽:貴州水利廳，1983.

［2］李斌，胡劍.小流域暴雨洪水計算方法的探討［J］.有色冶金設計與研究，2004，25(04):1 －3.

［3］王繼輝. 貴州暴雨洪水計算綜述［J］. 貴州水力發(fā)電，2000，14(01):1 －6.