贵州省暴雨洪水计算实用手册应用概述

刘冬梅，罗永强，郭应洁

(1. 贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳550002;2. 贵州东方世纪科技有限责任公司，贵阳550002)

1 概 述

贵州省水利厅1983年编制完成的《贵州省暴雨洪水计算实用手册》(以下简称《手册》)，多年来在贵州省各个部门得到广泛应用，对中小流域，特别是无实测洪水资料地区设计洪水的计算、复核发挥了重要作用，已成为全省中小流域无资料地区设计洪水计算的“实用手册”。

1988年，原编制单位针对小汇水流域雨洪计算公式的计算成果存在的偏差，编制完成了“贵州省暴雨洪水计算实用手册(修订本)——小汇水流域部分”(以下简称《修订本》)，并经贵州省水利厅审阅，已作为《手册》补充计算方法广泛应用［1］。

贵州省水文水资源局完成的《贵州省特小流域暴雨洪水计算标准》研究报告，对《修订本》中10≤F ＜25 km2条件下的洪峰流量计算公式进行了调整。根据《手册》及《修订本》的计算方法和原理将其编成软件，并集成在《工程水文分析计算集成应用软件PHAC》中，对《手册》的应用起到一定的推动和标准化作用。

本文简述《手册》的计算原理及其应用，并根据多年实践经验，针对应用中的一些问题提出处理意见，希望能对贵州省暴雨洪水计算及其发展有所裨益。

2 计算方法

设计洪水由洪峰流量QP、洪量WP及洪水过程线Qi～t 三要素组成，《手册》及《修订本》对各要素的推导情况简述如下:

2.1 洪峰流量计算公式

《手册》采用陈家琦《小流域暴雨洪水计算》推理公式法，两个基本方程为:

联解:代入参数n、β、a 和b，得:

1)当300≤F ＜1000 km2时:

2)当25≤F ＜300 km2，且θ ＞30 时:

3)当25≤F ＜300 km2，且θ ≤30 时:

4)当10≤F ＜25 km2时:

5)当1≤F ＜10 km2时:

以上洪峰流量计算公式中，字符的意义，详见《手册》及《修订本》。参数可分为3 类:①流域特征参数F、L 和J，根据地形图量算;②暴雨参数，以雨量参证站历年最大1 d降水量通过p －Ⅲ型频率曲线适线，得统计参数由此得KP，并用确定最大24 h点雨量均值，当F ＜10 km2时，需要通过计算SP;③产汇流参数γ(或γ1)、C(或C1)，γ 和C 根据选择的分区由《手册》附表(10)和附表(9)查算，γ1和C1由《修订本》“表1 －2”和“表4”查算，参数确定后，即可计算QP。因采用平均的暴雨衰减指数计算，最后需要对QP进行修正，利用n2、n3和τ，在《手册》附表(13)查得换算系数Kh，则Qpn= KhQP。

2.2 洪水总量

由暴雨计算设计洪水，其设计洪量为时段洪量，是指某时段暴雨所产生的相应洪量。《手册》采用时段为24 h，其设计洪量W 按24h 流域设计面雨量H24产生的相应径流深h24计算，即W =0.1 h24F。

对于径流深h24，可简单理解为径流系数C 与流域设计面雨量H24的积(CH24)，但《手册》的径流系数C 指的是洪峰径流系数，表示在汇流时间τ 内，最大径流深与最大降水量的比值(hτ/Hτ)，由于汇流时间τ 内的降雨强度＞24 h的降雨强度，故其洪峰径流系数也＞24 h的径流系数，由此计算的洪量偏大。

《手册》采用扣损法计算径流深h24，即设计面雨量H24在τ 时段内扣除稳定雨损Hs，τ ～24h 时段扣除附加雨损(其中:则h24= H24－(Hs+ △Hs)。以《手册》松柏山水库算例P =0.1% 降雨为例，CH24=198 mm，而h24=189 mm，前者大4.8%。

2.3 洪水过程线

《手册》的洪水过程线，为20个节点的概化单峰型洪水过程线，表示1 次降雨(24 h)产生的1 次洪水过程。在汇流分区的基础上，按洪水形状系数σ全省分为三级(σ =0.30，0.25及0.20)进行地区综合，成果见《手册》附表(15)。

洪水过程线计算时，在计算出QP的基础上，利用下式计算τ:

按《手册》，最大24 h降雨产生的径流深h24形成洪水总量，洪峰径流深hτ形成矩形概化洪水过程线的洪量，△h = h24－hτ作为附加安全洪水径流深，附加于概化洪水过程的退水部分。其比例系数K 为:

式中:a0为概化线涨水面积和总面积的比值。

应用时，在计算出h24和hτ的基础上，由汇流分区在《手册》附表(15)选定概化洪水过程及a0，计算退水放大比例系数K，因Tm= τ，可求出洪水过程线，时间为t = ［t/Tm］× τ，洪峰出现时间为tQm，退水部分t = tQm+［t/(Tm)× τ － tQm× K］(说明手册原计算式有误，按王继辉教授的意见修改)，流量为Qt［Qt/Qm］×Qp，其中的［t/Tm］、［Qt/Qm］为概化洪水过程线坐标值。

3 软件编制

从《手册》及其《修订本》的计算原理和方法可见，应用中先要作一些必要的判断，依据流域面积F和流域的几何特征值θ，确定洪峰QP的计算公式;根据设计流域特性和地理位置，选择汇流参数γ 的分区和大暴雨时面深分区，然后是大量的查表和繁琐的计算。因此，将其电算化十分必要，为此，贵州省水利水电勘测设计研究院根据《手册》编制了暴雨洪水计算软件，软件输入简便、界面实用、成果规范、准确。

3.1 软件输入

3.2 人机界面

软件按照输入参数，自动选用洪峰QP公式，按γ分区查算γ(或γ1 )均值，洪峰径流系数C 均值，并计算从而得到在产汇流参数取均值情况下的成果，然后，用户可根据流域特征对γ 和C 做适当调整，即可得到不同设计频率的洪水过程线图表。

3.3 输出成果

软件提供了15个固定设计频率及1个任意频率的中间计算参数成果表，以及用户自选设计频率的洪水过程线图表，输出成果规范，数据准确。

由表1 可见，电算值与《手册》数据的误差均在1%以内，因《手册》所列算例对过程线退水部分进行峰后降雨修正计算有误，使其过程线总量W 比设计洪量Wh24偏大，软件对此进行了处理，因此二者差别很小。

4 应用中存在的问题及处理意见

4.1 基本参数的确定

前述基本参数中，流域面积F 指地表分水岭范围，闭流区(麻窝地、暗河、伏流等)面积≤20%的明流区，若闭流区面积＞20%，应只计算明流区产生的洪水，闭流区洪水采用调查、实测等方法确定，然后叠加形成总的洪水;河长L 指从分水岭到出口断面的主河道长度，地形图上分水岭一带一般无河流线，可沿地形低洼处延长河流线;比降J 指沿河长L 纵断面的加权坡降，不能简单以总落差除河长L 求得，其计算公式为:

《手册》将全省划分为Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3共5个汇流参数分区，汇流参数γ 从小到大为Ⅰ2、Ⅱ3、Ⅰ1、Ⅱ2、Ⅱ1，以设计流域的地形、岩溶、植被状态为主来选择分区，《手册》表(10)中的“典型代表地区”为辅助选择条件，在选择最小(Ⅰ2)和最大(Ⅱ1)作为设计流域分区时，建议做充分的论述，以免洪水过于偏小或偏大。

《手册》给出的γ(或γ1)值最大差别为114%，均值差别为77.5%，在具体的某一区域，如Ⅰ1区，最小值(0.05)和最大值(0.06)差别为20%(对洪峰的影响为18.3%)，因此选择汇流参数分区及确定γ 值很关键，要慎重。

汇流参数分区确定后，产流分区相应得到确定，在《手册》洪峰径流参数C 查值表(9)中，有均值、最小值～最大值，一般选择均值查算，在软件计算时，划分为9个查值系列，以适应不同的产流情况。

4.2 不同公式对洪峰流量计算的影响

根据流域面积F 和流域的几何特征值θ，《手册》及《修订本》将洪峰流量计算公式分为5个级别，3个分界点，适用范围为1≤F ＜1 000 km2。以《手册》松柏山水库数据为基础(P =0.1%的H24P=273.6 mm，C =0.83)，以不同的流域特征参数F、L和J，计算分界点的洪峰流量见表2(表中流域几何特征参数为假定值)。

表1 松柏山水库算例数据比较

表2 计算分界点的洪峰流量

在分界点300 km2处，可用《手册》3 －5 －3 式、3－5 －2 式(θ ＞30)，和《修订本》修订1 式(θ ≤30)计算，《手册》的两个公式相差0.21%，修订1 式略大4.17%。

在分界点25 km2处，可用《手册》3 －5 －2 式(θ＞30)，《修订本》修订1 式(θ≤30)，修订2 式，以及特24 h式和特6 h式计算，3 －5 －2 式比修订1 式小31.1%，修订1 式与修订2 式一致，特24 h式比修订1 式大5.3%，特24 h式和特6 h式一致。

在分界点10 km2处，可用修订2 式，特24 h式和修订3 式计算，前两式相差4.6%，修订3 式比特24 h式大28.5%。因此建议，在F ＞25 km2附近，若仍采用《手册》3 －5 －2 式计算，参数(γ 和C)应偏大取值;在10 ＜F ≤25 km2范围，采用特24 h式计算，靠近25 km2时参数略取小值，靠近10 km2时参数偏大取值;在靠近F ＜10 km2采用修订3 式计算时，参数略取小值。如图1 所示。

图1 分界点参数取值趋势线图

4.3 设计洪量问题

对于设计洪量，《手册》按24 h雨量的径流深h24计算，即W = 0.1 h24F。设计流域的某一设计频率P 的洪水，当洪峰径流系数C 增加，将导致Qp增加，τ减小，［24 －τ］增大，而h24= H24－(Hs+24 －τ)将减小，从而使洪量减小，这里需要正确理解洪峰径流系数与洪水过程径流系数不同的概念。

由于《手册》中τ (≤24)内产生的稳定雨损Hs为常数，随着流域面积减小，τ (≤24)减小，雨损增加，导致径流系数C 减小，因此，有时会出现h24＜hτ的不合理情况，《手册》认为此时“计算流域的汇流特性已超出使用范围，不宜应用”。

基于此，在软件计算中，若遇到h24＜hτ时，采用hτ计算设计洪量，这与《手册》第35 页谈到用h24和hτ两种方法计算洪量的思路是一致的。

4.4 洪水过程线

《手册》洪水过程线通过概化过程线坐标点计算，其峰现时间tm和总历时Σt 由矩化历时Tm控制，因为取Tm= τ，故取决于τ。3 条概化线分别为tm=(0.55、0.6 或0.72)τ，Σt =(5、4 或3.33)τ。

由于τ 随洪峰流量QP增加而减小，因此，洪峰越大，峰现越早，过程线越短，从而导致不同频率的过程线末端出现交叉现象。

与其他常用的暴雨洪水计算方法比较，“一院两所法”的洪水过程线，也是大洪水的洪峰先出现，但总历时Σt 更长;而单位线法、水科院推理公式5 点概化线法，各频率的洪峰历时、过程线总长相同。

软件计算中，在遵循《手册》的前提下，做了如下局部调整:

1)对退水段做微小修正，使由洪水过程线计算的洪量等于设计洪量。

2)将各频率的洪水过程线结束点统一，以避免末端出现交叉现象。

3)提供一个比较方案，即将洪峰历时统一，因为按照“实测典型洪水过程线放大”法，其洪峰历时tm、过程线总历时Σt 是一样的，这种处理与单位线法、水科院推理公式5 点概化线法类似，但与《手册》不一致，仅供比较。

4.5 关于“1 h暴雨成峰，24 h暴雨成量”问题

当流域面积＜10 km2时，需要计算最大1h 暴雨统计参数，以便采用修订3 式计算洪峰流量，同时也要计算最大24 h暴雨统计参数，以计算洪量。

此类特小流域的τ 很短，约1 ～2 h，洪水过程线总历时Σt 多在10 ～15 h，将出现洪水过程线先于24 h暴雨结束的不合理现象，这与《手册》采用的概化过程线有关，可对退水部分进行适当修正，但只要峰量得到控制，集中出现是偏于安全的，也可不用作延长处理。

5 结 语

贵州省水利水电勘测设计研究院根据《手册》及其《修订本》编制的暴雨洪水计算软件，已在贵州省院、省水文水资源局、水科院，以及各地区(市、州)、县得到推广使用。本文在梳理《手册》及其《修订本》暴雨洪水计算原理的同时，对软件处理情况也作了说明，以期各地更合理地应用《手册》及软件。

［1］贵州省水利厅.贵州省暴雨洪水计算实用手册［S］.贵阳:贵州水利厅，1983.

［2］李斌，胡剑.小流域暴雨洪水计算方法的探讨［J］.有色冶金设计与研究，2004，25(04):1 －3.

［3］王继辉. 贵州暴雨洪水计算综述［J］. 贵州水力发电，2000，14(01):1 －6.