《陕西省水文手册》洪峰流量计算参数分析

刘 涛

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001）

随着气候变化和国民经济的快速发展,水文下垫面、水文情势、洪水演进和流域产汇流基础条件都发生了很大变化,原分地市《地区水文实用手册》（以下简称《地区手册》）中的参数已不能全面、准确反映现状条件下的水文特性,迫切需要一部反映现状水文环境状况与情势的新水文分析计算手册。2021 年6 月,《陕西省水文手册》（以下简称《新版手册》）通过评审进入试用阶段,作为水利工程设计规划工作中的重要依据,洪峰流量计算参数的合理性分析则具有重要意义。

1 《新版手册》变化

与《地区手册》相比,《新版手册》在资料系列、设计暴雨洪水参数综合等方法有以下改进。

1.1 资料系列

资料系列统一采用1956 年～2012 年长系列,部分水文站点延长到2017 年,全省范围统一勾绘各历时暴雨参数等值线图,系统全面的补充大量场次暴雨、大暴雨或特大暴雨洪水资料,比《地区手册》平均25 年资料系列更具有代表性,避免了分地市绘制存在地形地貌等因素不协调的问题。

1.2 设计暴雨

增补20 min、3 h、12 h、3 d,补齐8 个标准暴雨时段划分,弥补《地区手册》只有10 min、60 min、6 h、24 h 4 个时段不全的现象,有利于长历时大范围的暴雨设计；将《地区手册》只有雨量站 24 h 最大值分布,改进为 0.25 经纬度范围内选取最大值的 8 个标准暴雨时段历时的最大值分布；全省范围协调统一各时段采用的偏态系数,使之更趋合理。

1.3 设计洪水

在《地区手册》资料的基础上,增加分析了1985 年～2012 年典型洪水,重新率定了计算设计洪峰流量的参数,使之计算成果更趋于符合现状。设计洪水推求分以下两种途径：①根据经验公式法推求设计洪水；②根据设计暴雨推求设计洪水。

2 《新版手册》洪水分析选用资料

2.1 经验公式法

《新版手册》经验公式分析以区域内水文站实测资料与调查得到的小面积历史洪水资料,作为推求设计洪水经验公式的基础。流域面积范围涵盖21.4 km2～3860 km2的测站共计70 个站。

2.2 根据暴雨推求设计洪水

2.2.1 产流

全省共挑选64 条河流252 场雨洪资料,其中：陕北Ⅰ区共27 条河123 场；关中北Ⅱ1 区共8 条河36 场；关中Ⅱ2区选择11 条河29 场；陕南Ⅲ1 区选择9 条河的28 场；陕南Ⅲ2 区选9 条河的36 场。

2.2.2 汇流

（1）推理公式法

全省选用不同分区共计71 站465 场暴雨洪水资料分析汇流参数m 值,其中陕北Ⅰ区24 站208 场,关中Ⅱ1 区8 站55 场,关中Ⅱ2 区16 个站62 场,陕南Ⅲ区23 站140 场。

（2）瞬时单位线法

全省选不同分区共计51 站393 场雨洪资料。其中陕北Ⅰ区11 站120 场；关中Ⅱ1 区8 站50 场；关中Ⅱ2 区12站78 场；陕南Ⅲ1 区8 站54 场；陕南Ⅲ2 区12 站 91 场。

3 参数率定

经验公式法

以水文站实测资料与调查洪水资料建立洪峰流量经验关系式：

式中：Qp为不同频率的设计洪峰流量,m3/s；F 为流域面积,km2；K、n 为经验性参数和指数。常用频率率定参数见表1。

表1 经验公式参数表

续表1

3.1 根据暴雨推求设计洪水

3.1.1 产流

陕西省气候及自然地理条件差异较大：渭河以北地区气候干燥,雨量较少,入渗能力较小,产流方式常为雨强超过土壤入渗率而产生地面径流,称作超渗产流；渭河以南地区雨量充沛,暴雨历时长,入渗能力较大,产流方式是当降雨量满足土壤最大含水量后,全部降雨形成径流,称作蓄满产流。

产流主要在于分析地区土壤最大含水量Im、前期影响雨量Pa 及入渗率f。《新版手册》产流率定参数见表2 和表3。

表2 土壤最大含水量和前期影响雨量成果表

表3 超渗产流入渗率与土壤含水量关系式

3.1.2 汇流

（1）推理公式法

洪峰流量计算关键为确定汇流历时τ：

式中：τ为流域汇流历时,h；L 为沿主河槽从出口断面至分水岭的最长距离,km；J 为沿流程的平均比降（以小数计）；m 为经验性汇流参数；α、β为经验性指数。

《新版手册》推理公式参数率定见表4。

表4 推理公式法汇流参数（式）

（2）瞬时单位线

洪峰流量计算关键为确定参数n、k：

式中：m1、m2为瞬时单位线参数；m1i=10 为净雨强度为10 mm的 m1值；b 为改正指数,i 为雨强,mm/h。

《新版手册》瞬时单位线参数率定见表5。

表5 瞬时单位线汇流参数式

4 参数检验分析

以水文站洪峰流量频率计算成果为参考值,对全省各分区水文站采用上述三种计算方法计算其设计洪峰流量,与频率计算成果进行比对,对误差进行统计,其中经验公式验证70 站,推理公式法验证45 站,瞬时单位线验证54 站。

4.1 经验公式法

表6 经验公式法设计洪水计算与频率计算值误差统计表

4.2 根据暴雨推求设计洪水

4.2.1 推理公式法

以P=1%为例,300 km2以下水文站误差≤10%、≤20%、≤30%的站数分别为7 站、7 站、11 站,占验证总站数的63.6%、63.6%、100%；300 km2～1000 km2水文站误差≤10%、≤20%、≤30%的站数分别为17 站、17 站、24 站,占验证总站数的50.0%、50.0%、70.6%。可见,推理公式用在流域面积大于300 km2时,其计算误差将会明显增大。见表7。

表7 推理公式法设计洪水计算与频率计算值误差统计表

因此,《新版手册》中推理公式的应用范围不宜超过300 km2,300 km2～500 km2供参考。

4.2.2 瞬时单位线法

因此可认为《新版手册》中瞬时单位线法使用在1000 km2以下,参数基本合理。

表8 瞬时单位线法设计洪水计算与频率计算值误差统计表

5 结语

（1）《新版手册》较《地区手册》有以下改进：

一是水文资料系列延长,《地区手册》采用资料基本在1980 年前后,系列长度在25 年～30 年,《新版手册》洪水资料系列在42 年～78 年,且在此基础上同时收集了周边七省的各类资料,更具有代表性。

二是对水文资料统一进行一致性处理,并对主要参数进行修正完善,更加符合现状水文环境以及产汇流环境状况。

（2）《地区手册》以地市为单位,与相邻地市存在一定的衔接问题,《新版手册》则以全省范围进行修编,同时考虑临省的衔接,避免了地市绘制存在地形地貌等因素不协调的缺陷。

（3）《新版手册》推理公式适用面积为小于300 km2,300 km2～500 km2供参考使用,瞬时单位线适用面积为小于1000 km2,1000 km2～1500 km2供参考使用。