城區(qū)小流域暴雨洪水計(jì)算方法的分析

摘 要：伴隨城市化進(jìn)程的加快，對(duì)城市防洪排水提出更高的要求。然而從當(dāng)前城區(qū)小流域暴雨洪水計(jì)算情況看，現(xiàn)有的計(jì)算方法并不能完全滿足洪峰、洪量計(jì)算要求，更無從談及適應(yīng)洪水調(diào)節(jié)需要，這就要求對(duì)現(xiàn)有的計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化。本次研究將對(duì)城區(qū)小流域特征做簡(jiǎn)要介紹，并結(jié)合當(dāng)前城區(qū)小流域暴雨洪水計(jì)算常用方法與弊病，提出相關(guān)的優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：城區(qū)小流域；暴雨洪水計(jì)算方法；優(yōu)化

城市防洪作為當(dāng)前城市建設(shè)考慮的內(nèi)容，其有二重要求，表現(xiàn)為防外江洪水、內(nèi)江暴雨洪水方面，由于兩方面均缺少實(shí)測(cè)材料，要求通過相關(guān)的計(jì)算方法為實(shí)際防洪提供依據(jù)。盡管近年來關(guān)于暴雨洪水計(jì)算方法較多，但大多研究資料均局限在山區(qū)小流域?qū)用?，涉及城區(qū)的內(nèi)容較少，無法為城市防洪提供相關(guān)的參考。因此，本文對(duì)城區(qū)小流域暴雨洪水計(jì)算方法研究，具有十分重要的意義。

1 城區(qū)小流域特征分析

關(guān)于城區(qū)小流域，其特征集中表現(xiàn)為：①城區(qū)下墊面，以混凝土路面為主，出現(xiàn)下滲情況較少；②各小流域在集雨面積上保持15km2以下，面積相對(duì)較少，內(nèi)澇治理多采用分小流域治理方法；③城區(qū)內(nèi)暴雨洪水，短時(shí)間內(nèi)匯集向下水道管網(wǎng)排入，然后向防區(qū)外排出，對(duì)于小流域洪水，一般受地形影響出現(xiàn)自然回流情況，此時(shí)下水道管網(wǎng)是否暢通、管網(wǎng)管徑大小對(duì)于洪水排除有較大程度的影響；④城區(qū)小流域洪水檢驗(yàn)中，無實(shí)測(cè)水文資料，無法為防洪提供依據(jù)。從城區(qū)小流域特征中便可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前洪水調(diào)節(jié)方面仍需借助相關(guān)的資料作為參考，但由于實(shí)測(cè)資料缺乏，所以需通過洪水計(jì)算方式實(shí)現(xiàn)，而計(jì)算的內(nèi)容將涉及洪量、洪峰與洪水過程線等[1]。

2 城區(qū)小流域暴雨洪水計(jì)算常用方法與評(píng)價(jià)

從近年來城區(qū)小流域暴雨洪水計(jì)算中實(shí)際情況看，所選用的計(jì)算方法大多依托于實(shí)證城市室外排水計(jì)算方法，或以《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》為參考，前者一般用于洪峰的計(jì)算，無法將洪水過程線、洪量等進(jìn)行確定，而后者可計(jì)算小流域洪水，但是否適用于城區(qū)小流域仍需進(jìn)一步考察研究。

2.1 洪峰計(jì)算方法

洪峰計(jì)算中，常用的方法主要包括兩種：第一，市政室外排水公式。計(jì)算中假定對(duì)徑流系數(shù)、設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度、集雨面積與洪峰流量分別以Φ、q、F、Qm表示，則有Qm=ΦqF。需注意其中q在計(jì)算中，有相應(yīng)的公式，假定對(duì)降雨歷時(shí)、歷時(shí)附加參數(shù)、歷時(shí)指數(shù)、重現(xiàn)期1年設(shè)計(jì)降雨雨力以及雨力變動(dòng)參數(shù)分別由t、b、n、A1、C表示，且設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期利用P表示，則有q=167A1（1+ClgP）（t+b）n。另外，計(jì)算中需考慮設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)t的計(jì)算，分別采用t1、t2、m表示地面集水時(shí)間、管渠內(nèi)洪水運(yùn)行時(shí)間、延緩系數(shù)，有t=t1+mt2。第二，推理公式法。假定對(duì)流域匯流時(shí)間、流域面積、τ時(shí)段內(nèi)凈雨、主河道長(zhǎng)度與平均比降分別以τ、F、h、L、J表示，有Qm=0.278hF/τ，其中τ=0.278L/（mJ1/3·Qm1/4）。

2.2 計(jì)算方法評(píng)價(jià)

從上述計(jì)算方法中可發(fā)現(xiàn)，兩種計(jì)算公式有相同形式，其中市政室外排水計(jì)算中q與推理算法h/τ都用于表示暴雨強(qiáng)度，及洪峰、暴雨強(qiáng)度與面積保持正比關(guān)系。其中徑流系數(shù)Φ，與坡度、建筑物等地面條件以及降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度等降雨條件有一定關(guān)聯(lián)。而比較兩種計(jì)算方法的差異，則表現(xiàn)為：①有不同的重現(xiàn)期含義，如室外排水計(jì)算中，強(qiáng)調(diào)以年多次選樣法為主，而推理算法中，強(qiáng)調(diào)取年一次選樣法，可將年最大洪水反映出來；②室外排水計(jì)算中，計(jì)算對(duì)象為洪峰，而推理算法中，除對(duì)洪峰計(jì)算，也強(qiáng)調(diào)在“三角形過程線法”應(yīng)用下，結(jié)合凈雨過程進(jìn)行洪水過程線的計(jì)算；③室外排水計(jì)算，一般需以給定的暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行設(shè)計(jì)流量的推算，整個(gè)推算過程較為復(fù)雜，且計(jì)算中往往需借助既往研究資料與成果，所以在實(shí)測(cè)資料缺失情況下，對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定影響。相比之下，推理算法應(yīng)用下，通常直接做降雨實(shí)測(cè)，且引入簡(jiǎn)單的歷時(shí)降雨設(shè)計(jì)值，達(dá)到計(jì)算目的。綜合來看，小流域暴雨洪水計(jì)算中，推理公式法對(duì)天然狀況小流域更加適用，直接結(jié)合小流域降雨徑流做穩(wěn)滲率、匯流參數(shù)的計(jì)算，但需注意該方法應(yīng)用下，在匯流時(shí)間計(jì)算上需耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，且可能存在與城區(qū)系統(tǒng)排水存在較大差異情況[2]。

3 城區(qū)小流域暴雨洪水計(jì)算方法優(yōu)化

3.1 優(yōu)化公式

為使城區(qū)小流域暴雨洪水計(jì)算方法適用性提高，需考慮在計(jì)算方法上不斷優(yōu)化。如本次研究中，取三種假設(shè)條件，包括：①明渠、排水管道無阻水情況；②沿程匯流速度恒定，且呈矩形匯流面積曲線；③凈雨強(qiáng)度在τ內(nèi)恒定。此時(shí)，對(duì)于匯流時(shí)間（h）、流域面積（km2）、τ時(shí)段凈雨（mm）分別以τ、F、h表示，且利用t1、t2、m、Φ分別表示地面集水時(shí)間、管渠內(nèi)洪水運(yùn)行時(shí)間、延緩系數(shù)與成峰系數(shù)，有Qm=0.278ΦhτF，其中τ=t1+t2。

3.2 應(yīng)用實(shí)證

本次研究中，主要選取國內(nèi)某兩個(gè)城市小流域?yàn)槔?，?duì)其內(nèi)澇洪水情況進(jìn)行計(jì)算，分析優(yōu)化后的推理算法應(yīng)用效果。兩個(gè)流域均做降雨量實(shí)測(cè)，1h、6h、24h降雨量分別為13.5mm、572mm、79.6mm。其中第一個(gè)流域，其流域特征參數(shù)F、L、J分別為11、6.8、0.00258，利用推理公式計(jì)算，可推出Qm為24.5。另外一流域，流域特征參數(shù)F、L、J分別為24.4、13.5、0.00216，利用推理公式計(jì)算，可得到Qm為33.4。因兩個(gè)流域均無實(shí)測(cè)材料作為參考，所以借助水量平衡原理對(duì)兩個(gè)流域洪水計(jì)算，可得出洪峰分別為21.8、35.4，這與推理公式所得出成果無明顯差異，說明推理算法應(yīng)用下可靠性較強(qiáng)。

4 結(jié)論

城區(qū)小流域暴雨洪水計(jì)算是當(dāng)前城市防洪需考慮的主要問題。本次研究對(duì)城區(qū)小流域特征做簡(jiǎn)要分析，并對(duì)比當(dāng)前城區(qū)小流域暴雨洪水計(jì)算方法的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，在此基礎(chǔ)上提出優(yōu)化建議，可發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的算法取得的效果較為顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮英杰.隴南地區(qū)橋涵小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算[J].城市道橋與防洪，2014，（02）：8687+94+1011.

[2]李衛(wèi)東，周宏，陳睿星，等.特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法在山谷型干灰場(chǎng)中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)村水利水電，2017，（01）：8083.

作者簡(jiǎn)介：劉興輝（1990），男，江西贛州人，本科，助理工程師，水利工程建設(shè)管理，防汛抗旱，河道管理等方向。