《張家口市水文水資源手冊(cè)》中經(jīng)驗(yàn)公式的應(yīng)用探討

□余 正

流域洪峰流量的形成與暴雨分布、地形及下墊面情況密切相關(guān)，如計(jì)算河道位于張家口地區(qū)內(nèi)蒙古高原東部的壩上地區(qū)，由于無實(shí)測流量資料，可采用《張家口市水文水資源手冊(cè)》中的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)公式雖形式相對(duì)簡單，但計(jì)算過程中存在2種不同的計(jì)算方法，使用不同方法計(jì)算對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果存在一定差別?，F(xiàn)以張北縣的馬連渠河為例，分析了兩種計(jì)算方法的差別。

1.手冊(cè)概況

1998年張家口水文水資源勘測局編制《張家口市水文水資源手冊(cè)》（以下簡稱《水文手冊(cè)》），該手冊(cè)在1973年和1985年舊版本手冊(cè)基礎(chǔ)上進(jìn)行修訂，延長了水文實(shí)測系列，使資料系列有較好的代表性。修訂工作中參考“河北省短歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨圖集”“河北省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集”“河北省地表水資源”“海灤河流域降水量圖集”等資料成果，注意了資料考證內(nèi)容，協(xié)調(diào)了資料成果的一致性?！端氖謨?cè)》對(duì)水文要素的計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行了深入的分析，提高了數(shù)據(jù)的可靠程度，成果更切實(shí)地反映了張家口當(dāng)?shù)氐乃奶匦?，提供了適用于張家口市實(shí)際情況的計(jì)算方法，保持了《水文手冊(cè)》的科學(xué)性、先進(jìn)性和實(shí)用性，適應(yīng)當(dāng)前張家口市經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展對(duì)基礎(chǔ)工作的要求。

《張家口市水文水資源手冊(cè)》記錄了張家口市各項(xiàng)水文要素的區(qū)域變化規(guī)律，提出了數(shù)量、質(zhì)量及其時(shí)空分布特性，介紹了主要設(shè)計(jì)值和計(jì)算方法，為水資源開發(fā)利用、保護(hù)和管理、城鎮(zhèn)規(guī)劃、鐵路交通以科研等部門提供了依據(jù)。

目前，《水文手冊(cè)》已使用了20余年，在張家口市的經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展中起到了積極作用，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，但由于基礎(chǔ)資料和分析深度所限，以及水文規(guī)律的復(fù)雜性，《水文手冊(cè)》具有一定的局限性。

2.暴雨特性

張家口市大部分區(qū)域位于太行山、燕山背風(fēng)區(qū)，降雨除受天氣系統(tǒng)影響外，還受地形因素的影響造成該區(qū)域易發(fā)生局部大暴雨、雷暴雨或冰雹，即本區(qū)暴雨具有籠罩面積小、雨量大、歷時(shí)短的特點(diǎn)，較大暴雨歷時(shí)一般不超過24h，多數(shù)在2h—3h之內(nèi)。如1984年6月30日崇禮縣驛馬圖鄉(xiāng)兩間房村降雨歷時(shí)1.5h，中心雨量400mm，1975年8月11日崇禮縣五十家子鄉(xiāng)杜林村降雨歷時(shí)13h，中心雨量450mm。流域暴雨年內(nèi)分布不均，年降雨量的80%以上集中在汛期，并且汛期暴雨主要集中在7月下旬和8月上旬的幾場大暴雨內(nèi)。流域洪水與流域暴雨的年內(nèi)分布具有相似性，但比暴雨的變化更為劇烈，同時(shí)洪水的年際變化十分懸殊，例如在1952年—2004年洪峰流量實(shí)測系列中，最大年份1975年為2330m3/s，最小年份2004年僅為28.9m3/s，相差80倍。該區(qū)域洪水過程由于產(chǎn)流區(qū)多在山前地帶，坡度較大、匯流快、河槽處于山谷之中，調(diào)蓄能力小，故造成一次洪水漲落迅速，有峰高而瘦、歷時(shí)短的特性。

《水文手冊(cè)》根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)測暴雨資料，繪制了各時(shí)段暴雨均值和變差系數(shù)值等值線圖，其中包括了24h的暴雨均值H24h和變差系數(shù)Cv。

3.公式驗(yàn)算

《水文手冊(cè)》分析當(dāng)?shù)氐暮樗?jì)算時(shí)，進(jìn)行了產(chǎn)流分析和匯流分析，其中匯流分析分為經(jīng)驗(yàn)公式和推理公式2種，經(jīng)驗(yàn)公式型式如下：

式中：

H24—流域平均年最大24h雨量，mm；

J—主河道縱坡，‰；

α—流域形狀系數(shù)，α=F/L2；

L—主河道長度，km；F—流域面積，km2；

C、m1、m2、m3、m4為參數(shù)，見表1。

表1 經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)表

此方法在實(shí)際采用過程中，因個(gè)人理解和經(jīng)驗(yàn)習(xí)慣不同，可能會(huì)產(chǎn)生2種不同的計(jì)算方式：①先求各不同重現(xiàn)期的暴雨H24p，而后代入公式計(jì)算對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期的Qp；②先根據(jù)Hˉ24計(jì)算出Q，然后把不同重現(xiàn)期的Kp代入Qp=Kp×Q，得到不同重現(xiàn)期的Qp。這2種方法在其他地區(qū)的水文手冊(cè)中均有采用，如石家莊地區(qū)的水文手冊(cè)，采用了上述的方法①；而鄰近的內(nèi)蒙古自治區(qū)，與張家口壩上區(qū)域同屬于內(nèi)蒙古高原，該地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)公式則采用了上述的方法②。

張家口市的壩上地區(qū)屬于燕山背風(fēng)區(qū)內(nèi)陸河流域，從多年降雨量分布規(guī)律分析，經(jīng)常出現(xiàn)局部地區(qū)短歷時(shí)暴雨，洪水也多為局部性洪水。流域內(nèi)河道坡度較陡，植被條件較差，洪水具有源短流急、驟漲驟落的特點(diǎn)?！端氖謨?cè)》選用1h、6h、24h暴雨測站16處，采用資料系列1956年—1993年，另有13次特大暴雨調(diào)查資料，繪制了該地區(qū)各時(shí)段暴雨均值和Cv值等值線圖。故先求各不同重現(xiàn)期的暴雨H24p，而后代入公式計(jì)算對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期的Qp更符合水文手冊(cè)的使用條件和當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況。

鄰近的內(nèi)蒙古自治區(qū)的《水文手冊(cè)》沒有繪制各時(shí)段暴雨均值和Cv值等值線圖，而是根據(jù)全區(qū)30個(gè)水文站的實(shí)測洪水資料，繪制洪峰流量變差系數(shù)的等值線圖。故先根據(jù)H24計(jì)算出Q，然后把不同重現(xiàn)期的Kp代入Qp=Kp×Q，得到不同重現(xiàn)期的Qp更符合當(dāng)?shù)厮氖謨?cè)的使用條件和當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況。

4.實(shí)例分析

馬連渠河發(fā)源于張北縣班青村西北，自西向東流經(jīng)馬連渠村等多個(gè)村莊，最終匯入群馬河，河道全長19.3km，河道縱坡8.0‰，流域面積64.1km2。根據(jù)《水文手冊(cè)》等值線圖查得流域中心多年平均年最大24h暴雨量H24=45mm，變差系數(shù)Cv=0.7，Cv/Cs=3.5?！端氖謨?cè)》根據(jù)洪峰流量匯流參數(shù)m和洪水地面徑流概化過程線的差異，將張家口市分為3個(gè)類型區(qū)，Ⅰ區(qū)：壩上；Ⅱ區(qū)：桑干河、洋河、白河、黑河流域；Ⅲ區(qū)：清水河上游西溝。該河位于壩上地區(qū)，屬于內(nèi)蒙古高原區(qū)的內(nèi)陸河流域，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)表，見表1，查得C=0.02、m1=1.37、m2=0.3、m3=0.4、m4=0.6。

以下分別采用上述兩種方法，計(jì)算馬連渠河10年和20年一遇的設(shè)計(jì)洪水。

方法①：先求各不同重現(xiàn)期的暴雨H24p，而后代入公式計(jì)算對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期的Qp。首先根據(jù)暴雨特征參數(shù)，計(jì)算得到10年和20年一遇的點(diǎn)暴雨設(shè)計(jì)值分別為84.6mm和108.4mm，查得點(diǎn)面折減系數(shù)為0.944，得到10年和20年一遇的面暴雨設(shè)計(jì)值分別為79.9mm和102.3mm，最后將各參數(shù)代入經(jīng)驗(yàn)公式，得到10年和20年一遇的設(shè)計(jì)洪水分別為90.4m3/s和126.9m3/s。

方法②：先根據(jù)Hˉ24計(jì)算出Qˉ，然后把不同重現(xiàn)期的Kp代入Qp=Kp×Qˉ，得到不同重現(xiàn)期的Qp。首先將Hˉ24和各參數(shù)代入經(jīng)驗(yàn)公式，得到多年平均洪峰流量Qˉ=41.2m3/s，根據(jù)暴雨特征值得到10年和20年一遇的模比系數(shù)Kp分別為1.88和2.41，最后得到10年和20年一遇的設(shè)計(jì)洪水分別為77.4m3/s和99.1m3/s。

5.結(jié)論建議

比較上述2種方法的計(jì)算成果，方法②明顯小于方法①。經(jīng)過橫向比較，內(nèi)蒙古地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)公式之所以采用方法②，是因?yàn)樵摰貐^(qū)根據(jù)當(dāng)?shù)厮恼镜膶?shí)測洪峰編制了洪峰流量Qp的變差系數(shù)Cv等值線圖，《張家口市水文水資源手冊(cè)》是根據(jù)實(shí)測暴雨編制了暴雨均值和變差系數(shù)Cv等值線圖，所以采用方法①更為合理。在張家口市水文計(jì)算的工作中，還經(jīng)常采用《水文手冊(cè)》中推理公式進(jìn)行計(jì)算，2種公式在當(dāng)?shù)氐膽?yīng)用均有一定的精度，但經(jīng)驗(yàn)公式受地理參數(shù)影響，計(jì)算結(jié)果普遍大于推理公式。所以在實(shí)際工作中，應(yīng)比較各種方法的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)相近流域?qū)崪y洪水資料點(diǎn)繪的模數(shù)圖，綜合比選合理采用。