山洪災(zāi)害分析評價中小流域洪水計算方法研究

季亞輝，韓 林，黃 欣，高煥芝，秦建平

(1.湖北省水利水電科學研究院，湖北武漢 430070；2.隨州市水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北隨州 441300；3.鎮(zhèn)江市工程勘測設(shè)計研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

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山洪災(zāi)害分析評價中小流域洪水計算方法研究

季亞輝1，韓 林2，黃 欣2，高煥芝3，秦建平3

(1.湖北省水利水電科學研究院，湖北武漢 430070；2.隨州市水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北隨州 441300；3.鎮(zhèn)江市工程勘測設(shè)計研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

為做好山洪災(zāi)害治理中設(shè)計洪水計算工作，結(jié)合水利規(guī)劃設(shè)計實踐，以建始縣4處小流域設(shè)計洪水為研究對象，分別采用流量途徑、瞬時單位線法(降雨徑流相關(guān)圖)、瞬時單位線法(初損后損)、推理公式法和經(jīng)驗公式法等進行計算，并對相應(yīng)成果進行了對比分析，最后推薦山洪災(zāi)害治理中小流域設(shè)計洪水采用瞬時單位線法(降雨徑流相關(guān)圖法)進行計算效果最佳。

小流域；設(shè)計洪水；計算方法

山洪災(zāi)害突發(fā)性強、破壞力大、預報預警難，要做好山洪災(zāi)害治理工作，設(shè)計洪水計算是一項必不可少的重要工作。水利計算所采用的計算方法應(yīng)科學合理，與所采用的基本資料相對應(yīng)，并符合工程實際[1]。設(shè)計洪水常用的計算方法有流量推求法與暴雨推求法[2-3]，其中后者又包括瞬時單位線法(降雨徑流相關(guān)圖)、瞬時單位線法(初損后損)、推理公式法和經(jīng)驗公式法等[3-5]，各種方法適用性不同，給實際應(yīng)用帶來一定難度。筆者以建始縣小流域設(shè)計洪水計算為例，探討適合山洪治理中小流域洪水的計算方法。

1　項目區(qū)概況

建始縣位于鄂西南山區(qū)北部，跨30°06′～30°54′ N，109°32′～110°12′ E，東連巴東縣，以野三河為界；西接恩施市，以太陽河為界；南鄰鶴峰縣，以長河、茶寮河為界；北與重慶市巫山縣毗連；西北與重慶市奉節(jié)、巫山兩縣接壤。建始縣小流域坡度均大于6°，土壤主要為黃棕壤土、棕壤土和石灰?guī)r土。境內(nèi)屬亞熱帶季風濕潤型山地氣候，夏季多偏南風，冬季多偏北風，雨量充沛，雨熱同季，立體氣候特征十分顯著。建始縣多年平均年降雨量約1 400 mm，東部屬少雨區(qū)，年均降水量1 200 mm左右，中部、南部年均降水量1 300～1 700 mm，極端最大月降水量504 mm。全縣共有大小河流104條，除火龍河屬于長江水系以外，其他河流均屬清江水系。河流總長853.65 km，徑流總量32.20億m3，其中地表徑流26.40億m3(不含清江景陽段過境客水62.13億m3)，地下徑流5.80億m3。

2　設(shè)計暴雨計算

建始縣小流域缺少短歷時實測暴雨資料，《湖北省暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集》(2008年)刊布的短歷時暴雨統(tǒng)計參數(shù)等值線圖是收集水文氣象站網(wǎng)歷年實測雨量資料，用年最大選樣法構(gòu)建各種指定歷時的雨量系列，選用P-Ⅲ型分布函數(shù)進行統(tǒng)計計算、綜合分析而得，成果合理、可靠。故此次建始縣小流域暴雨統(tǒng)計參數(shù)根據(jù)流域中心位置直接查《暴雨參數(shù)等值線圖》，采用《湖北省暴雨徑流查算圖表》計算。

3　設(shè)計洪水計算

3.1計算方法選擇小流域附近有水文站實測流量資料時，可根據(jù)實測流量資料系列的統(tǒng)計參數(shù)，經(jīng)P-Ⅲ適線排頻得到各頻率設(shè)計洪水；小流域缺乏實測流量資料時，采用暴雨途徑推求設(shè)計洪水。

圖1　建始(二)降雨徑流相關(guān)圖Fig.1　Rainfall-runoff correlation curve of Jianshi County

由于建始縣為有巖溶地質(zhì)和天坑的流域，故各頻率設(shè)計洪水的m1均不考慮非線性改正。

流域分類標準為：山區(qū)，j>15‰或流域平均高程在500m以上；山丘區(qū)，j=5‰～15‰；丘區(qū)，j≤5‰；扇形，F(xiàn)/L2>0.40；一般，F(xiàn)/L2=0.25～0.40；長形，F(xiàn)/L2<0.25。

②推理公式法。其主要暴雨參數(shù)有暴雨遞減指數(shù)n、雨力S、洪水匯流參數(shù)m及損失參數(shù)u，計算公式如下：

在設(shè)計計算洪水過程線方面，過去常采用三點、五點法，為了提高精度，已將中小流域?qū)崪y洪水過程以相對值Qi/Qm和ti/tp進行概化，為了進一步考慮流域和暴雨洪水特性的差異，引進洪水形狀系數(shù)：

式中，h為設(shè)計凈雨總量(mm)；F為流域面積(km2)；Qm為洪峰流量(m3/s)；T為地面徑流歷時(h)。

③經(jīng)驗公式法。根據(jù)《湖北省暴雨徑流查算圖表》，建始縣屬于湖北省水文分區(qū)第10區(qū)，1%頻率經(jīng)驗公式為：

Q=71.18F0.564(10≤F≤1 500km2)

各方法的特點及比較詳見表1。

表1　設(shè)計洪水計算方法比較

3.2設(shè)計洪水成果分別采用上述4種設(shè)計洪水計算方法，計算了建始縣4條小流域設(shè)計洪水，成果見表2～5。

3.2.1 經(jīng)驗公式與其他4種方法設(shè)計洪水成果比較。1%頻率經(jīng)驗公式的設(shè)計洪水成果在匯流面積比較大時，設(shè)計洪水成果與其他4種方法計算的設(shè)計洪水成果相差不大，當小流域匯流面積小于20 km2時，經(jīng)驗公式的設(shè)計洪水成果比其他方法的計算成果偏大，尤其是當小流域匯流面積小于5 km2時，經(jīng)驗公式的設(shè)計洪水成果比其他方法的設(shè)計洪水成果大1倍，同時經(jīng)驗公式只能計算1%頻率的設(shè)計洪水，其他頻率沒有相應(yīng)的經(jīng)驗公式。

3.2.2 流量途徑與暴雨途徑的設(shè)計洪水成果比較。流量途徑的設(shè)計洪水成果在小流域匯流面積大于5 km2時，與瞬時單位線(降雨徑流相關(guān)圖法)、瞬時單位線(初損后損法)和推理公式法的設(shè)計洪水成果相差不大，當小流域匯流面積小于5 km2時，流量途徑的設(shè)計洪水成果比瞬時單位線(降雨徑流相關(guān)圖法)、瞬時單位線(初損后損法)和推理公式法的設(shè)計洪水成果偏大28%以上，主要是由于面積相差太大，流量途徑不能真實地反映面積較小的小流域?qū)嶋H情況，用水文比擬法進行設(shè)計洪水的移植不適合。

表2　001小流域設(shè)計洪水成果

注：小流域編號001，匯流面積148.4 km2，長度33.25 km，比降為25.64‰。

Note：Small basin code was 001；catchment area was 148.4 km2；length was 33.25 km；and gradient was 25.64‰.

表3　002小流域設(shè)計洪水成果

注：小流域編號002，匯流面積64.85 km2，長度21.70 km，比降為29.46‰。

Note：Small basin code was 002；catchment area was 64.85 km2；length was 21.70 km；and gradient was 29.46‰.

表4　003小流域設(shè)計洪水成果

注：小流域編號003，匯流面積9.89 km2，長度7.86 km，比降為55.2‰。

Note：Small basin code was 003；catchment area was 9.89 km2；length was 7.86 km；and gradient was 55.2‰.

表5　004小流域設(shè)計洪水成果

注：小流域編號004，匯流面積2.94 km2，長度2.96 km，比降為52.17‰。

Note：Small basin code was 004；catchment area was 2.94 km2；length was 2.96 km；and gradient was 52.17‰.

3.2.3暴雨途徑之間的設(shè)計洪水成果比較。暴雨途徑采用了瞬時單位線(降雨徑流相關(guān)圖法)、瞬時單位線(初損后損法)和推理公式法3種方法，由表2～5可以看出，不同小流域匯流面積3種方法計算的設(shè)計洪水成果相差基本不大，3種方法計算的設(shè)計洪水成果均可以用于該工程。

3.2.4設(shè)計洪水計算方法確定。根據(jù)以上分析結(jié)果，設(shè)計洪水計算方法首先排除經(jīng)驗公式；流量途徑雖然在小流域面積大于5 km2時適用，但是小流域面積小于5 km2時不適用；暴雨途徑的3種方法設(shè)計洪水成果均可以選用，但是瞬時單位線(降雨徑流相關(guān)圖法)各種歷時雨型產(chǎn)流過程均有扣損，瞬時單位線(初損后損法)只有24 h雨型產(chǎn)流過程考慮了扣損，推理公式法沒有產(chǎn)流過程，考慮到后期的預警指標計算需要考慮前期影響雨量Pa為較干(Pa=0.2 Wm)、一般(Pa=0.5 Wm)和較濕(Pa=0.8 Wm)3種情形進行雨量扣損，因此為了工程設(shè)計洪水和預警指標計算結(jié)果的一致性，建始縣山洪災(zāi)害調(diào)查評價設(shè)計洪水計算統(tǒng)一采用瞬時單位線(降雨徑流相關(guān)圖法)，預警指標計算為瞬時單位線(降雨徑流相關(guān)圖法)的逆運算。

4　結(jié)語

該試驗在建始縣山洪災(zāi)害治理中，分別采用2類5種小流域設(shè)計洪水計算方法，對小流域洪水計算成果進行分析比較，從流域面積、計算精度、扣損機理等方面考慮，推薦采用瞬時單位線法。該研究對同類地區(qū)小流域設(shè)計洪水計算方法選取具有重要參考意義。

[1] 中華人民共和國水利部.水利工程水利計算規(guī)范[M].北京：中國水利水電出版社，2015.

[2] 林愛松.小流域設(shè)計洪水計算方法的探討[J].水利科技與經(jīng)濟，2012，18(5)：72-75.

[3] 劉依松.不同洪水計算方法的比較[J].水力發(fā)電學報，2012，31(6)：39-43.

[4] 湖北省水利勘測設(shè)計院.湖北省暴雨徑流查算圖表[Z].1985.

[5] 周全，侯建國.小流域水庫設(shè)計洪水計算方法與調(diào)洪演算[J].中國農(nóng)村水利水電，2014(5)：42-44.

Calculation Method of Small Basin Flood in the Analysis and Evaluation of Mountain Torrent Disasters

JI Ya-hui1, HAN Lin2, HUANG Xin2et al

(1. Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power Research of Hubei Province, Wuhan, Hubei 430070; 2. Suizhou Institute of Water Resources and Hydropower Planning Survey and Design, Suizhou, Hubei 441300)

To calculate the designed flood in the control of mountain torrent disasters, we adopted the water conservancy planning and design practice. With the designed flood of four small basins in Jianshi County as the research objects, calculation was carried out by the flux pathway, instantaneous unit hydrograph (rainfall-runoff correlation curve), instantaneous unit hydrograph (initial losses and latter losses), rational formula method, experience formula method and so on. Corresponding results were comparatively analyzed. Finally, instantaneous unit hydrograph (rainfall-runoff correlation curve) was recommended for the small basins design in the control of mountain torrent disasters. And its calculation effects were the optimal.

Small basin; Designed flood; Calculation method

季亞輝(1982- )，女，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，碩士，從事水利規(guī)劃研究。

2016-07-08

S 27

A

0517-6611(2016)20-231-03