小流域應(yīng)急監(jiān)測中洪峰流量計(jì)算方法的探討

方宏衛(wèi) 張麟童 周棟 羅黃來

摘 要：山區(qū)型小流域大多屬于水文資料匱乏地區(qū)，而此類地區(qū)又極易出現(xiàn)暴雨，如何推求極端暴雨事件中的洪峰流量，需要進(jìn)行研究。以南方某地區(qū)的一場典型暴雨為例，通過查算地區(qū)暴雨圖集，采用推理公式法、瞬時(shí)單位線法計(jì)算該次洪水的洪峰流量，與事后通過現(xiàn)場水文調(diào)查確定的洪水過程對(duì)比分析。結(jié)果表明：推理公式法及瞬時(shí)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(yīng)對(duì)突發(fā)水文事件時(shí)，此兩種方法具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急監(jiān)測；洪峰流量；暴雨圖集；推理公式法；瞬時(shí)單位線法

中圖分類號(hào)：TV121.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來，受溫室效應(yīng)、厄爾尼諾及拉尼娜等現(xiàn)象的影響，全球極端氣候?yàn)?zāi)害頻發(fā)，極端暴雨事件發(fā)生概率急速上升。洪澇災(zāi)害不僅會(huì)造成財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重的還會(huì)造成人員傷亡，產(chǎn)生廣泛的社會(huì)影響，危害極大，因此，做好極端暴雨事件的監(jiān)測工作十分重要。水文作為國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)性公益事業(yè)，在歷次抗災(zāi)救災(zāi)中，積極開展應(yīng)急監(jiān)測和預(yù)測預(yù)報(bào)，提供各類信息服務(wù)，在減少災(zāi)害損失、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全方面起到了不可替代的作用，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1]。但受經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平限制及水文現(xiàn)代化站網(wǎng)建設(shè)不夠完善的影響，部分地區(qū)仍缺乏足夠的基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)，尤其是中小河流等山洪易發(fā)區(qū)域，并且近些年來受人類活動(dòng)影響，眾多流域下墊面情況發(fā)生改變，而這些地區(qū)又大多是突發(fā)自然災(zāi)害和極端暴雨事件的重災(zāi)區(qū)[2]。如何充分利用現(xiàn)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(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

采用推理公式法及瞬時(shí)單位線法推算洪峰流量。

1.1.1 推理公式法

1.2 數(shù)據(jù)來源

本次對(duì)隨州柳林鎮(zhèn)8·12極端強(qiáng)降雨進(jìn)行分析計(jì)算。柳林鎮(zhèn)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(gè)基本雨量站柳林店站，有四個(gè)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(quán)平均比降為3.2‰（見圖1）。

8·12洪災(zāi)中，根據(jù)雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)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(qiáng)降雨導(dǎo)致該鎮(zhèn)街道受淹，老百姓生命財(cái)產(chǎn)受災(zāi)嚴(yán)重，供電、通訊等基礎(chǔ)設(shè)施癱瘓。

2 結(jié)果分析

通過事發(fā)地河段的坐標(biāo)確定所處流域及地區(qū)，利用Arcgis軟件測算出事故發(fā)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(shí)單位線法對(duì)洪峰流量及洪量進(jìn)行推演，并與當(dāng)?shù)厮牟块T的事后洪水調(diào)查分析進(jìn)行對(duì)比，分析論證兩種方法在應(yīng)急監(jiān)測中的可靠性。

2.1 推理公式法計(jì)算結(jié)果分析

事發(fā)地點(diǎn)洪峰流量按《圖表》中推理公式法，根據(jù)流域參數(shù)和暴雨成果分別計(jì)算地表洪峰流量和地下水流量，兩者疊加而得。

根據(jù)《圖表》水文區(qū)劃，面雨量由點(diǎn)暴雨經(jīng)點(diǎn)面折算計(jì)算。

2.2 瞬時(shí)單位線法計(jì)算結(jié)果分析

依據(jù)《圖表》，事故發(fā)生地點(diǎn)屬于水文4分區(qū)，根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨成果分別計(jì)算凈雨過程、地表徑流過程、地下徑流過程等。

1）設(shè)計(jì)凈雨。根據(jù)《圖表》，小流域采用最大24 h雨量時(shí)，各時(shí)段雨量扣除初損和穩(wěn)滲后作為凈雨過程。該事故發(fā)生地表上游集水面積23 km2，采用最大6 h雨量，僅扣穩(wěn)損，即得到6 h設(shè)計(jì)凈雨過程。

2）單位線計(jì)算。該事故發(fā)生地點(diǎn)位于《圖表》中水文4分區(qū)，最終計(jì)算得到的瞬時(shí)單位線見表4。

根據(jù)瞬時(shí)單位線推求得洪峰流量560.85 m3/s。

2.3 對(duì)比分析

推理公式法及瞬時(shí)單位法推求的結(jié)果如圖2所示。可以看出，瞬時(shí)單位線的洪峰結(jié)果比推理公式法的結(jié)果略大，這主要是由推理公式法對(duì)徑流的計(jì)算簡化引起的，推理公式法在計(jì)算中僅考慮到地面徑流，并未對(duì)槽面降水和地下徑流進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)致結(jié)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(jīng)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(dǎo)致與瞬時(shí)單位線成果存在差異。山區(qū)小流域中河流槽面在流域面積中所占比重往往不會(huì)太大，而且地下徑流在該地區(qū)可以忽略不計(jì)[6]，推理公式法和瞬時(shí)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(nèi)。從精度角度考慮，此次控制站點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水選取瞬時(shí)單位線法的成果更接近調(diào)查值。

根據(jù)當(dāng)?shù)厮牟块T的事后洪水調(diào)查分析，計(jì)算斷面的洪峰流量為589 m3/s。

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

3 結(jié)論

本文利用推理公式法、瞬時(shí)單位線法計(jì)算突發(fā)暴雨事件的洪峰流量，并與事后進(jìn)行的高精度洪水分析對(duì)比，得到如下結(jié)論。

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

（2）推理公式法在原理上，假定了流域內(nèi)產(chǎn)流強(qiáng)度在時(shí)間和空間上保持恒定不變，即降雨量和地面下滲量在時(shí)空分布上具備一致性，應(yīng)用條件比較局限。在我國多數(shù)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(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，匯流參數(shù)的敏感性很高，多數(shù)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(shí)，匯流參數(shù)的選用既要考慮流域特性，也要考慮當(dāng)次暴雨的等級(jí)，特別是很多山丘區(qū)村莊經(jīng)人類活動(dòng)影響后，坡面匯流變成管網(wǎng)匯流的情況需要格外重視。

（3）瞬時(shí)單位線法一般適用于1 000 km2以下的流域，在水文設(shè)計(jì)領(lǐng)域被廣泛使用。但是各省水文手冊的編制年代久遠(yuǎn)，大多是上世紀(jì)八九十年代，由于人類活動(dòng)和受水網(wǎng)調(diào)整的影響，部分地區(qū)的產(chǎn)匯流參數(shù)已不滿足實(shí)際的需求，因此在使用瞬時(shí)單位線法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水時(shí)，建議對(duì)部分參數(shù)通過實(shí)測洪水資料反推的方法進(jìn)行參數(shù)率定，以提高模型的適用性及精準(zhǔn)度。

（4）推理公式法的計(jì)算公式中主要是針對(duì)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(shí)單位線法得到的成果更接近真實(shí)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖慶龍.推理公式法在山區(qū)小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中的應(yīng)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(jì)算淤地壩設(shè)計(jì)洪峰時(shí)暴雨遞減指數(shù)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(duì)數(shù)據(jù)誤差傳遞作用的初步分析[J].南水北調(diào)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(qū)小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法合理性分析[J].北京水務(wù)，2021（2）：37-40.

[5]朱勇，陸泳舟，王世昭，等.無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法應(yīng)用研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2021（3）：34-37.

[6]孫文杰，梅國棟，王莎，等.推理公式法和瞬時(shí)單位線法在尾礦庫洪水計(jì)算中的對(duì)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