无资料地区特小流域设计洪水计算方法分析

2017-11-23綦晶，薛莲

黑龙江水利科技 2017年10期

关键词：洪峰流量汇流计算方法

綦晶，薛莲

(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，长春 130021；2.呼伦贝尔市水资源管理站，呼伦贝尔 021000)

无资料地区特小流域设计洪水计算方法分析

綦晶1，薛莲2

(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，长春 130021；2.呼伦贝尔市水资源管理站，呼伦贝尔 021000)

针对特小流域水文资料、设计洪水推算难的问题，研究计算简便、计算精度较高的洪水计算方法，对指导特小流域洪水设计具有重要意义。文章结合现阶段特小流域设计洪水常用的几种计算方法，分析了不同计算方法的特点及其适用性，并以南沟子流域设计洪水推算为例，对两种常见的特小流域洪水计算方法进行横向比较。

无资料地区；特小流域；设计洪水；计算方法

0 前言

我国具有较为丰富的水资源，其中流域面积在100km2以下的河流更是分布广泛。小河流之上修建小型水库、灌溉工程等对地区农业及防洪都具有重要意义，而水利建筑物的设计需要依据小流域某种频率的设计洪水[1-3]。特小流域与其他类型流域相比，除集水面积小之外，在暴雨洪水产流、汇流方面也具有独特的特点。对于特小流域洪水设计计算，国内外学者进行了大量的研究，总结了很多理论公式和计算方法，文章在分析特小流域不同洪水计算方法适用性和优缺点基础上，结合南沟子流域设计洪水计算实例，探讨适合本地区的特小流域设计洪水计算方法。

1 特小流域设计洪水计算方法分析

流域设计洪水计算由来已久，并且在运用过程中不断进行充实和完善，计算精确度也逐步得到提升。20世纪80-90年代，小流域水利工程设计洪水计算主要采用的方法有历史恒基估算法、水文比拟法和诺模图表推求法等，这几种方法都是在水文资料短缺的情况下，运用简单的估算方法对设计洪水进行推求，不确定因素太多，计算精度较低[4]。近年来计算机技术的不断进步，目前，小流域设计洪水计算采用的设计方法有推理公式法、一院两所法、瞬时单位线法等。单位线法适用于流域集水面积在200-1000km2、洪水资料缺失的情况，对于特小流域设计洪水计算一般不采用。下面对2种常用的特小流域计算方法进行简要介绍。

1)推理公式法。该方法使用之前需要把计算流域的产流、汇流条件都均化和概化，再将水流运动方程和连续方程联立求解，推导计算得到计算流域出口断面洪峰流量公式。在确定稳定入渗率fc之后，按照一定标准的入渗率将净雨划分为两部分，即地表净雨和地下净雨，在根据所计算流域特征参数推求洪水参数m。绘制洪峰流量与流域汇流时间、洪峰流量与时间两种关系曲线，得到地表洪峰流量。根据计算得到的地表洪峰流量求地下洪峰流量，根据等腰三角形分配原则，求得地下洪峰流量，两者相加就是所求设计洪峰流量。

2)一院两所法。一院两所法可以用于集水面积小于10km2以下的特小流域。该方法最大特点在于计算过程中取代了矩形概化线性分配，并用最大同时汇流面积非线性分配进行代替，这样可以使计算过程与洪峰形成规律更加吻合。同时计算中考虑坡面流忙流因素、变动的洪峰径流系数、断面扩散系数等因素，使得一院两所法更适用于特定流域的设计洪水推算[5-6]。

2 基本情况

2.1 流域概况

多金河地处嫩江县西南部的临江乡境内，为嫩江右岸一级支流，发源于临江乡东南部的111国道西侧，由东至西横穿临江乡，最后在多金村南侧注入嫩江。南沟子是多金河右岸的一条支流，发源于临江乡东南方，先后流经临江乡、新立屯，在多金村附近汇入多金河。南沟子河道总长15.86km，河道平均比降4.72‰。

2.2 气象

南沟子流域属中温带季风气候区，冬季寒冷干燥，历时长；春季多风，蒸发量大、湿度小；夏季温湿多雨；秋季降温急骤，历时短。年内及年际气温变化较大。据嫩江气象站资料统计，本区多年平均气温-0.5℃，极端最高气温38.1℃，极端最低气温-47.3℃。多年平均降水量487mm，降水年内分配极不均匀，降水量主要集中在6-9月，占年降水量的80%以上，其中7-8月降水量占年降水量的50%以上，冬季降水量很少，仅占年降水量的5%以下。该地区多年平均水面蒸发量663mm，受日照、风、植被、气温等因素的影响，蒸发量年内分配极不均匀，每年的4-6月由于日照增强，升温快，风速大，湿度小，蒸发量大，占全年蒸发量的50%以上。南沟子流域处于山区向平原过渡的丘陵地带，春秋季节风沙大，地面风向以NE-NW为主。

2.3 洪水

南沟子流域没有设立水文测站，属无资料地区。本次设计洪水采用一院两所法计算50a一遇设计洪水。控制断面位于南沟子中游，新立屯西南侧，断面以上河道长度为7.72km，河道平均坡度7.06‰，汇水面积20.6km2。

3 特小流域设计洪水计算方法应用及比较

3.1 不同设计洪水计算方法应用

1)一院两所法是铁道部第一设计院、中国科学院地理研究所和铁道部科学研究院西南研究所共同提出的小面积洪水计算方法，其计算公式为：

Qp= [(k1(1-k2)P)/(XP1)n1](1/(1- n1y))

(1)

式中：Qp为洪峰流量，m3/s；k1为产流因子；k2为损失因子；X为山坡和主河槽综合汇流因子；P1为形成洪峰流量同时汇水的时间系数；P为形成洪峰流量的同时汇流面积系数；n为随暴雨衰减指数n而变的指数；Y为反映流域汇流特征的指数。

选取某一控制断面，计算参数取值如表1所示。经计算控制断面处设计洪水计算成果为131 m3/s。

表1 控制断面设计洪水计算参数表

2)推理公式法计算公式如下：

(2)

(3)

式中：F为计算流域面积；τ为汇流时间；m为汇流参数；L为主干流长度；Ht为相应t时段的最大净雨；J为河道干流比降。

经复核推求得到，南沟子流域P=2%设计洪峰流量为123m3/s。

3.2 不同设计洪水计算方法比较分析

本次设计洪峰计算采用推理公式法和一院两所法2种方式，计算得到的南沟子流域洪水参数结果较为接近，P=2%设计洪水相差6.0%。历史洪水法与查找图表法由于存在较大的人为误差，文章对其不予比较讨论。通过推理公式法与一院两所法相互复核，通过确定的入渗率划分不同时段地表和地下净雨，这种计算方法计算精确度较高，且考虑因素较为全面，因此结果可信度高。特别是针对南沟子流域的一院两所法计算中将流域下垫面参数进行实际考察认证，据此推算确定洪水参数m，能够较为真实地反映计算流域下垫面情况[7-8]。虽然在计算过程中也将产流、汇流条件进行了适当的均化与概化，但在此基础上通过结果分析与理念洪水调查复核，对计算结果影响较小，计算方法可行，成果基本可靠。

4 结语

1)特小流域洪水水流存在产流和汇流情况，且受到暴雨时空分布和流域下垫面情况的制约，下垫面会对流域(特别是坡面)调蓄能力和水源补给情况造成影响，最终会在在洪水参数m反映。因此，特小流域设计洪水推算的关键在于确定洪水参数，一院两所法根据大量的洪水调查为依据，具有不同类型洪水参数的计算公式，适合流域面积在30km2以下工程中应用，尤其是面积小于10km2的特小流域设计洪水计算中。

2)在水文资料短缺或没有水文资料的条件下计算设计洪水，要求既能保证计算结果的准确度，又能确保技术人员能快速掌握计算方法，可通过利用推算公式法计算原理，按照一院两所法推求汇流参数m，再计算得到特小流域的设计洪峰流量。

[1]石炜,徐永波,陈娟,等.华东地区小流域设计洪水计算方法探讨[J].水利规划与设计,2015(12):29-31.

[2]戴荣,王正发.资料匮乏地区中小流域设计洪水计算方法的研究[J].西北水电,2012(02):1-5.

[3]卢祖贵.浅析华东地区特小流域设计洪水计算方法[J].水电站设计,2011(01):84-86.

[4]王克平,许清香,冯民权.无资料地区小流域设计洪水计算方法研究[J].电网与清洁能源,2008(07):56-59.

[5]董秀颖,刘金清,叶莉莉.特小流域洪水计算概论[J].水文,2007(05):46-49.

[6]陈少平.汉中地区特小流域设计洪水计算方法的探讨[J].西北水力发电,2006(S1):87-89.

[7]李青山,王好.基于无资料地区推求小流域设计洪水的实例剖析[J].黑龙江水利科技,2012(01):57-59.

[8]王好,管延海.无资料地区推求小流域设计洪水的探讨[J].吉林水利,2011(11):37-40.

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