少資料地區(qū)暴雨洪水洪峰流量計(jì)算探討

辛春輝 陳紹良

收稿日期：2024-01-11

作者簡(jiǎn)介：辛春輝（1973—），男，湖南石門(mén)人，工程師，研究方向?yàn)樗念A(yù)報(bào)。

摘 要：洪峰流量和洪峰水位是非常重要的水文參數(shù)，而這2個(gè)參數(shù)的計(jì)算非常復(fù)雜。若資料較少的地區(qū)想要計(jì)算這2個(gè)參數(shù)則難度更大。以洈水支流南河2023年8月27日洪水為例，對(duì)少資料地區(qū)暴雨洪水洪峰流量計(jì)算進(jìn)行了探討，為暴雨洪水洪峰流量計(jì)算提供借鑒。

關(guān)鍵詞：洪峰流量；洪峰水位；暴雨

中圖分類(lèi)號(hào)：TV122.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：2095–3305（2024）03–0-03

在一次洪水過(guò)程中，洪峰水位和洪峰流量是2個(gè)重要的水文參數(shù)。對(duì)于少資料地區(qū)，必須通過(guò)洪水調(diào)查來(lái)間接確定這2個(gè)參數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)查一次洪水過(guò)程留下的洪痕確定洪峰水位，而洪峰流量的計(jì)算較困難，常用的方法有比降面積法、暴雨洪水推理公式法、曼寧公式法等[1-3]。比降面積法要求獲得較準(zhǔn)確的洪痕以確定洪峰水位，從而計(jì)算出水面比降，而另一個(gè)難點(diǎn)在于糙率的確定；暴雨洪水推理公式法受到暴雨時(shí)空分布影響較大；曼寧公式法一般適用于明渠均勻

流[4-5]。以比降面積法為主，探討了2023年8月27日洈水一級(jí)支流南河子良鎮(zhèn)河段發(fā)生的一次暴雨洪水過(guò)程中洪峰流量的計(jì)算，并采用其他2種方法驗(yàn)證比降面積法的計(jì)算結(jié)果。

1 流域概況

洈水是松滋河的一級(jí)支流，上游分南、北兩支，南支在湖南石門(mén)縣的五里坪，北支（干流）在湖北，發(fā)源于湖北省五峰縣清水灣，2條支流在湖北省松滋市王臺(tái)嶺匯合，后流經(jīng)烏溪溝、茉莉?yàn)?、西齋、楊林、法華寺等地，于公安縣汪家汊匯入松滋河，河流全長(zhǎng)203.7 km，

流域面積2 218 km2，其中位于湖南省境內(nèi)的流域面積為433.7 km2。

流域多年平均雨量1 280 mm，實(shí)測(cè)單站最大降水量為清水灣雨量站1983年2 606.6 mm，降雨集中在4—9月，約占全年雨量的70%，調(diào)查最大洪峰流量為5 730 m3/s。

2 “2023·8·27”暴雨洪水情況

8月26日20：00—27日09：00，受到低渦切變和地面冷空氣的共同影響，洈水流域石門(mén)縣、澧縣和五峰縣普降暴雨，局部特大暴雨。在此次強(qiáng)降雨過(guò)程中，洈水一級(jí)支流南河流域面平均降雨量為225.5 mm，站點(diǎn)最大降雨量為石門(mén)縣犀牛坪站，為282.5 mm，其次為石門(mén)縣子良站，254.5 mm。此次暴雨過(guò)程在空間分布上比較集中，主要覆蓋洈水南支流域及周邊區(qū)域，暴雨中心位于洈水流域子良鎮(zhèn)和太平鎮(zhèn)，累計(jì)降雨量超100 mm有12站，超200 mm有4站，其中超100 mm籠罩面積為1 100 km2。

受洈水中上游干支流強(qiáng)降雨影響，8月26—27日，洈水一級(jí)支流南河太平鎮(zhèn)至子良鎮(zhèn)河段發(fā)生了一次洪水過(guò)程，洈水干流火連坡鎮(zhèn)沙溪坪水文站（屬湖北省水文）出現(xiàn)建站以來(lái)實(shí)測(cè)最大洪水，測(cè)得最高水位為98.52 m（85高程），洪峰流量為3 500 m3/s，洪峰出現(xiàn)時(shí)間為8月27日13：10。

3 洪峰流量的計(jì)算

受洈水流域中上游強(qiáng)降雨影響，石門(mén)縣太平鎮(zhèn)、子良鎮(zhèn)和澧縣火連坡鎮(zhèn)河段出現(xiàn)了暴雨山洪。以子良鎮(zhèn)河段為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究此次洪水過(guò)程在子良鎮(zhèn)斷面形成的洪峰流量。調(diào)查河段情況如表1所示。

子良鎮(zhèn)河段位于洈水上游南支下游，斷面以上流域面積為271 km2，斷面至主河道分水嶺的距離L為31.0 km，干流平均坡降J為145.5%。此次在該河段調(diào)查了2個(gè)斷面，上斷面位于公路橋以上150 m，下斷面位于公路橋以下400 m。

此次調(diào)查分別對(duì)上下2個(gè)斷面的洪痕和斷面面積進(jìn)行了測(cè)量，洪痕水位的上斷面為161.56 m，下斷面為160.66 m。

子良鎮(zhèn)河段洪峰流量采用比降面積法進(jìn)行計(jì)算，然后采用暴雨推理公式和曼寧公式兩種方法對(duì)比降面積法的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定其洪峰流量。

3.1 比降面積法

將該河段峰頂近似視作恒定非均勻流，計(jì)算洪峰流量公式如下：

Q=KS0.5/[1-]0.5（1）

式（1）中，L表示比降上、下斷面間距，單位：m；g表示重力加速度，為9.81 m/s2，S表示實(shí)測(cè)水面比降。

K表示河段平均輸水率，其計(jì)算公式如下：

K=（A上R上+A下R下）/2n（2）

式（2）中，n表示查用的糙率，A上、A下分別表示上下過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，單位：m2，R上、R下分別表示上下過(guò)水?dāng)嗝嫠Π霃?，單位：m。

計(jì)算公式（M值沒(méi)有具體含義）如下：

M=（1-ε）（1/A2上-1/A2下）（3）

式（3）中，ε值為斷面沿程收縮或擴(kuò)散系數(shù)，收縮河段ε=0，漸次擴(kuò)散ε=0.5。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果參數(shù)確定，得：A上=613 m2，A下=478 m2，R上=2.866 m，R下=3.639 m，

L=550 m，S=1.636‰；糙率n查《湖南省河渠糙率》可知，n=0.035；調(diào)查河段為收縮河段，n=0。

計(jì)算得：K=33824，M=-1.72×10-6，Q=1 260 m3/s。

3.2 根據(jù)暴雨推理公式計(jì)算洪峰流量

第一，根據(jù)式（4）、式（5）計(jì)算（θ-表示流域地理參數(shù)）。

θ=L/（F J ）=31.0/（271×14.55‰）=31.30（4）

m=0.123θ0.520=0.123×31.300.520=0.737（5）

式（4）、式（5）中，m表示流域匯流參數(shù)，F(xiàn)表示斷面以上流域面積，單位：km2；L表示斷面至干流分水嶺的距離，即主河道長(zhǎng)度，單位：km；J表示干流平均坡降。

第二，推求此次暴雨平均面雨量。采用子良、陽(yáng)泗嶺、犀牛坪、太平、太平鎮(zhèn)5個(gè)雨量站的數(shù)據(jù)，計(jì)算子良斷面以上面平均雨量。

降雨時(shí)段為8月26日20：00—27日09：00時(shí)，降雨量如表2所示，經(jīng)加權(quán)平均計(jì)算，面平均雨量為225.5 mm。

表2? 子良斷面以上流域雨量

站名 時(shí)段雨量/mm

子良 254.5

犀牛坪 282.5

陽(yáng)泗嶺 123.0

太平 220.5

太平鎮(zhèn) 126.0

第三，凈雨過(guò)程計(jì)算。假定此次暴雨的面雨量按照子良站時(shí)段雨量分配比例進(jìn)行時(shí)程分配。根據(jù)《湖南省暴雨洪水查算手冊(cè)》查圖40知該流域?qū)佼a(chǎn)流分區(qū)第4區(qū)，得初損I0=25 mm。求時(shí)段地表徑流R上=R總×Ψ，地表徑流占總徑流的比例Ψ值查表得0.75。具體結(jié)果如表3所示。

第四，計(jì)算Rt/t。將R上按從大到小進(jìn)行排列，自最大時(shí)段地表徑流開(kāi)始，依次向前后相鄰時(shí)段連續(xù)累加得Rt，除以相應(yīng)歷時(shí)，得到Rt/t值，如表4所示。

點(diǎn)繪Rt/t-t關(guān)系曲線，如圖1所示。

第五，使用試算法求Qm和τ。根據(jù)公式：洪峰流量Qm=0.278×F×Rt/t，匯流歷時(shí)τ=0.278×L/（m×J ×Q m），

經(jīng)計(jì)算得出Qm=1 220 m3/s，τ=8.10 h。

3.3 曼寧公式法

采用公式估算此次洪水過(guò)程洪峰流量，公式如下：

Q=A下RhS（6）

式（6）中，A下=478 m2，n=0.035，水力半徑Rh=3.639，

S=1.636‰，代入式（6）得：Q=1 310 m3/s。

綜上所述，子良斷面洪峰流量的計(jì)算采用了比降面積法、曼寧公式法以及暴雨推理公式法3種方法，得到的洪峰流量如表5所示，3種方法所得結(jié)果均較為接近。暴雨推理公式法的結(jié)果偏小，曼寧公式法的結(jié)果偏大?？梢哉J(rèn)為比降面積法的計(jì)算結(jié)果合理，子良斷面洪峰流量為1 260 m3/s。

4 結(jié)束語(yǔ)

比降面積法相比其他兩種方法而言更準(zhǔn)確，因此對(duì)于少資料地區(qū)洪峰流量計(jì)算而言，一般優(yōu)先采用比降面積法。若難以辨認(rèn)洪痕，無(wú)法確定糙率，可以采用暴雨推理公式法對(duì)洪峰流量進(jìn)行估算。

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