水文小流域流量计算方法及应用实践探微

刘茜

（甘肃省酒泉水文水资源勘测局，甘肃　嘉峪关 735100）

水文小流域流量计算方法及应用实践探微

刘茜

（甘肃省酒泉水文水资源勘测局，甘肃嘉峪关 735100）

伴随社会的不断发展，使得对水文小流域流量计算的重视度越来越高，且其在实际生活之中的作用也越发重要。水文小流域流量计算方法对河流水文状况的测算以及道桥建设的有关特征研究有重要意义。水文小流域流量因各自所处的地理环境和水域状况存在差别，所以它的实际水文流量计算法也都将不同。其中，在进行水文流量计算时，主要通过数理统计法、径流形成法等来对水文小流域流量开展计算与评测。首先着重分析了这两种方法在运用时的基本特征，然后结合以某小流域流量计算的应用实践，分析了计算方法的选择和应用过程。

水文小流域；计算方法；应用实践

在设计时，流量作为确定小河流水利项目的关键根据之一，通常道路沿线小沟河多数都是小流域类型，由于此类流域一般面积很小，且洪峰不易将其淹没，洪水持续时间短，所以该小流域一般不存在水文检测站，这对小河流的水利项目流量计算造成了困难，几乎不存在任何观测资料能够供以查询。当前，对于国内铁路、公路，水利单位均已制订出各河道相应图标与计算公式，然而因我国地域十分辽阔，且河道补给种类复杂，河流流域较广，所以流量计算难度依然较大，再者由于地区间也存在较大差别，因此，找出一种依据具体水文特征和适用于本地流域流量的计算方法，这对小桥设计与建设的科学有效开展具有重要价值。

1　水文小流域的流量计算方法分析

1.1径流形成法运用特点

1）径流形成计算方法原理。径流形成法是主要是根据暴雨资料来对小流域的洪水流量进行测算的手法，是按照洪峰期流量和主要影响要素间的联系而进行构建的。该法设定出口处断面的最大流量值是在暴雨下流域内通过汇流和产流等过程而产生。在径流形成中，其汇流面积会随着时间增长而均匀增大，所以可将流域中的汇流面积伴随时间增长率（Af）简化成直线变化趋势（如图1所示），将暴雨强度随降雨时间的关系曲线简化成矩形趋势（如图2所示），并且设定暴雨与降雨强度的分布情况在形成径流过程之中整个流域内保持均匀。此外，通过暴雨资料进行流量测算时，都假设暴雨频率与所产生洪峰流量的频率一致。

图1　汇流面积随时间的变化关系图

图2　暴雨强度随时间的变化关系图

2）径流形成法的主要影响因素。在径流形成计算方法相关公式之中，设定主要的流量影响因素是由汇水区地理构造参数所决定，如地表坑洼和起伏状况，降雨状况（这里包含暴雨强度和降雨持续的时间），土壤类型与吸水性，地表植物覆盖状况，径流和径流大小，主沟河特点与粗糙度，以及水库湖泊库容量和调控蓄水能力等。

1.2数理统计计算法运用特点

1）数理统计法基本原理。水文小流域流量数理统计方法，主要是利用水文现象与特征非重复性与一次性等特性，以及各类水文因素产生偶然性数量值的变化特征，同时与概率论及相关的算法原理相结合，对某区域的水文状况与水文资料记录实施概率化统计过程，以此对该流域水文活动规律性进行推算，且以此作为对今后此流域水文现象预估和计算的重要指引。在具体运用时，对数理统计法的运用，不能只依据在某时间段内测算的水文数据来作为解决全部水文问题的法则，而要按照水文具体状况，将以往水文记录资料来作计算工作的指导，通过物理成因的分析技术与问题处理方法来促使水文计算成果更满足该地区流域水文情况的客观要求。

2）数理统计法内容分析。在用物理统计法进行水文流量计算时，随机性事件、不可能性事件与必然性事件为计算过程中的主要统计内容。必然性事件指的是在特定小流域内，当检测人员多次针对水文小流域流量进行观测时，在特定状况下必然出现的某些水文现象。此类必然性事件的出现对把握该流域具体状况以及水文流量计算有着很关键的指导价值。不可能性事件指在某特定水文状况及水文条件下，不可能出现的事件。由于存在不可能性事件，这对消除某流域的一些水文问题并防止在流量计算中产生不必要错误提供了条件。随机性事件指的是在小流域水文现象之中，特定水文条件下有可能出现也有可能不出现的事件类型。

对水文事件而言，因水文资料十分复杂，且在事件资料收集中期限较长，数理统计法对一些存在特定水文规律以及有比较明显规律性的水文小流域流量测算较为适用。在实际计算时，如果实际测算的水文资料较为丰富，则流域水文现象的规律性也将更为显著，其预测和统计的精确性也会更高。所以，水文流量测算者应按照在具体测算时所拥有的水文资料来选用合理的流量计算法，进而为有关水文数据的高效、准确计算提供必要指引。

2　水文小流域应用实践分析

某水文小流域的特点：我国某地区的地形西北向偏高而东南向偏低，属于低山丘型丘陵地区，气候呈温暖带大陆季风性气候，较为温和，季节性较为明显，夏季时多为东南风向，而冬季时多为西北风向，风速平均约为3m/s。每年温度平均值为-14℃～14℃，一月温度最低，该月温度平均为-0.2℃～0.4℃，七月温度最高，月均大约27℃，最低极端温度-17℃，最高极端温度40.5℃。降水量年均值在525.4～658.4mm之间，雨水主要集中于6～9月份，大约可占到全年总降水量的一半以上。

2.1流量计算方法的选择及客观条件研究

1）流量计算方法的选择前提。因在道路沿线所跨越的溪流、沟、河等大多都是小流域类型，它们最大流量的产生大多是因暴雨的影响，并且一般来说流域的面积相对较小，且坡度较陡，汇流期限短，通常洪水会急落急涨，持续时间短，且泛滥的范围很小，小流域内洪水极少可以留下显著痕迹，通常不致引发人们关注，所以很难采集到比较可靠的水文资料。针对该情况通过暴雨图收集方法、面积比拟方法、数理统计方法等计算方式很难准确推算出流量，因此，采用径流形成法可取的较好效果。

2）客观条件研究。在进行小流域流量计算时，有时会存在缺少地区水文资料的情况，缺乏资料系统整理与特定计算方式，同时也没有长时期的中、大型河流观察资料，它们的水文流量计算更加缺少定式，所以在水文小流域流量计算时存在一定的随意性与困难性。

文中所述案例为低山丘陵地区或山前区，大部分沟壑都处于常年无水的情况，同时沿线小镇几乎不存在大的水文站，尽管有市县级的水文观测站，水文测算年限很短。此外，数百年以来此地都未出现过较大的洪水，根据数据调查，大约在清朝同治年限出现过一次较大型的洪水，由于年代过于久远，其洪水痕迹难以寻觅，尤其是较小流域面积的沟河，更加缺少条件去补插流量的序列和延长水文流量的相关资料。在该情况之下，此次小流域流量计算使用了多类公式，如：

QP=C·S·F2/3；

或QP=0.278·Ψs/τn·F；

或QP=0.278·A5·B5·RP/to·F；

或径流形成方法公式：QP=Φ（h-z）3/2·F4/5·β·γ·δ

通过对多类方法的各次尝试计算和结果分析来看，选择径流形成方法进行该项目水文小流域流量计算形式，对该地带沟河设计流量进行测算比较适用。

因此，按照径流形成方法内在要求，以及具体的客观条件，对此段可选择径流形成方法进行设计流量的测算。

2.2小流域流量测算径流形成方法的相关公式

式中：

QP——当频率是P时对应的洪峰流量值，单位为m3/s；

h——流域径流的厚度，单位为mm，按照暴雨类别、土壤种类、频率设计和汇流的时间，并通过查径流厚度常用值表进行确定。这里汇流时间t按照流域的面积F大小进行确定：

当F＜10km2时，t=30；

当10＜F＜20km2时，t=45；

当20＜F＜30km2时，t=60。

不同区域通常都会测有与该地区相适应的径流厚度值h，选择各区域制定的流域径流厚度则更加与具体状况相近。

Z—被洼地或植物滞留的径流厚度，单位为mm；按照地貌地形特点和植被状况而定。

F—流域面积，单位为km2；

β—洪水传播洪峰流量影响折减系数；按照流域地貌地形特点与长度而定。

γ—因流域中不均匀降水对洪峰流量的影响折减系数；按照汇流期间和不同区域流域的宽和长而定。

Φ—地貌系数；按照主河槽的平均坡度、流域面积和地貌地形特点而定。

δ—小水库或湖泊调控作用洪峰流量的影响折减系数；按照流域中湖泊、水库占据汇水面积比而定。

2.3算例分析

以该地区某小河沟为例开展分析和测算。该沟属于U型自然性冲沟，其沟槽较窄，土壤是第四区Ⅱ级普通土类型，按照地质勘探可知，该地层分别由青灰色卵石土（δ=600KPa）、褐色人工填土、浅灰灰白色的石灰岩 （δ=2000KPa）以及棕红色亚粘土（δ=250KPa）等组成。桥上游部位流域面积控制为3.6km2，主沟槽的比降平均是61‰，长约3km。

公式：QP=Φ（h-z）3/2·F4/5·β·γ·δ

式中：

汇水面积取：F=3.6km2；

取地貌：Φ=0.13；

取径流的厚度：h=52；

取洼地或植被所滞留径流的厚度：Z=6；

取洪水传播洪水峰值流量折减系数：β=0.995；

取流域中因不均匀降水洪水峰值流量折减系数：γ=1.0；

取水库或湖泊调控作用洪水峰值流量折减系数：δ=1.0；

因此，根据径流形成法可得流量计算结果为：Q1%=0.13×（52-6）1.5×3.60.8×0.995×1.0×1.0=116.1（m3/s）。

2.4径流形成法方的公式验证分析

采取交通部的推算公式进行沟河设计流量计算的验证，验证公式是：

通过综合研究此沟河流域的有关特性，可确定出推算公式参数包括：流域的面积F=3.6；当设计频率值为P（P=1%）时雨力Sp=100mm/h；暴雨的递减系数为n=0.55；损失参数U=5.7mm/h；汇流时间为t=40/60h；验证公式计算结果为Q1%=119.4m3/s。通过结果研究：径流形成方法的计算数据是 Q1%= 116.1m3/s，和验证数据间的误差是：（119.4-116.1）/ 116.1=2.8%，误差很小，符合设计需要。

3　结语

综上可得，水文小流域的流量计算方法要按照某特定流域具体水文情况而定。在选用计算方式时，应找出一种依据该地区的水文状况实际特征以及科学适用的计算模式，这对小桥科学设计与建设有着至关重要的作用。水文条件不同，所适用的计算形式也将不同，这需要水文流量计算人员应具有较好的素质水平，筋而了解小流域流量的各种计算手法，从而为提高流量计算的准确度奠定基础。

［1］ 宋爱清，李强.小流域水文流量计算方法探讨［J］.辽宁交通科技.2005（01）：33-37.

［2］ 张连河.西北某铁路小流域水文分析与流量计算验证［J］.甘肃科技.2012（06）：62-63.

［3］ 郭得平.小流域洪峰流量的计算方法之比较［J］.甘肃科技.2008（19）：52-54.

［4］ 蒋平.浅析小流域水文河道流量计算分析［J］.青年科学月刊.2014（08）：86-88.

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