华东地区小流域设计洪水计算方法探讨

石 炜，徐永波，陈 娟，许广东

（1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏淮安223005；2.江苏省水文局宿迁分局，江苏宿迁223800）

华东地区小流域设计洪水计算方法探讨

石 炜1，徐永波1，陈 娟1，许广东2

（1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏淮安223005；2.江苏省水文局宿迁分局，江苏宿迁223800）

通过分析小流域设计洪水计算的3种方法，以推理公式为主、辅以华东地区特小流域参数法、瞬时单位线法印证，进行横向比较分析，寻找简便适用的计算方法。

特小流域；设计洪水；计算方法

1 小流域特点

小流域设计洪水计算，与大中流域相比，有许多特点，并且广泛应用于铁路、公路的小桥涵、中小型水利工程、农田、城市及厂矿排水等工程的规划设计中，因此水文学上常常作为一个专门的问题进行研究。

小流域设计洪水计算的主要特点是：①绝大多数小流域都没有水文站，缺乏实测径流资料，甚至降雨资料也没有。②小流域面积小，自然地理条件趋于单一，拟定计算方法时，允许作适当的简化，可以作出一些概化的假定。例如假定短历时的设计暴雨时空分布均匀。③小流域分布广、数量多。因此，所拟定的计算方法，在保持一定精度的前提下，将力求简便，一般借助水文手册即可完成。④小型工程一般对洪水的调节能力较小，工程规模主要受洪峰流量控制，因此对设计洪峰流量的要求，高于对洪水过程线的要求。

2 小流域设计洪水的计算方法及原理

华东地区常用的设计洪水计算方法有以下3种：综合瞬时单位线法、推理公式法和华东地区特小流域参数法。

（1）瞬时单位线法。基本假定是设净雨过程相当于流域入流，经过一系列n个相同的线性水库调蓄作用，形成出口断面的径流过程。根据汇流参数选择时段单位线，乘于各时段的地表净雨及面积，并逐段相错一个时段进行叠加即得地表洪水过程线。

（2）推理公式法。计算原理是先把流域的产流、汇流条件均化、概化后，根据水流的连续方程和运动方程联立求解，推导出流域出口断面洪峰流量的计算公式。确定稳定入渗率fc值，用fc值将各时段的净雨分割成地表和地下净雨2部分，由设计流域的特征参数推求m值，通过绘制Qm～τ（Ⅰ～Ⅰ线）和Qm～t（Ⅱ～Ⅱ线）2条关系曲线，求得设计地表洪峰流量；将计算得到的地下洪峰流量，按照等腰三角形分配，即得设计地下洪峰流量。地表和地下洪峰流量相加就是所求的设计洪峰流量。

图1 Qm～τ（Ⅰ～Ⅰ线）和Qm～t（Ⅱ～Ⅱ线）关系曲线

（3）华东特小流域参数法。该方法由华东电力设计院与水科院水资源所王维新等人根据特小流域雨洪的特性，应用推理公式的基本理论，经过大量分析华东地区的许多测站洪水特征，探求特小流域的雨洪特性和参数变化规律，根据地区流域下垫面类型，因地制宜地将各流域的洪水参数分成5类，分别建立各种类型的洪水参数计算公式，从而推求出洪峰流量的设计方法。

3 小流域设计洪水计算方法的应用和比较

3.1 工程实例

以笔者参加的福建省某沿海山丘区排涝规划为例，用不同方法分别计算区内各支流20年一遇设计洪峰流量。

本流域及其3条支流的流域特征参数见表1。

表1 各分区流域特征参数

该流域缺乏实测雨量资料，根据地区暴雨等值线图集查得H1，5%=85.2mm、H6，5%=172.6mm，H24，5%=235.2mm，该区域下渗能力约3.5mm/h。

3.1.1 推理公式法

基本计算公式如下：

式中：Q—地表洪峰流量，m3/s；h—汇流历时内最大净雨量，mm；F—流域面积，km2；τ—汇流时间，h；L—自计算断面起沿主河道至分水岭的距离，km；J—沿流程L的平均比降，‰；θ、m—汇流参数。

经过复核计算，各支流设计洪峰流量成果见表2。

表2 福建省推理公式法计算洪峰成果

3.1.2 华东地区特小流域参数法

华东特小流域参数法基本原理与福建省推理公式法一样，只是汇流参数不同，根据华东特小流域参数分类，本流域以旱地、荒草坡为主兼有稀疏灌木林（夹有杂草）、幼林、经济林。土层较薄，岩石裸露明显。河道两岸草木稀少，有少量塘坝、鱼鳞坑等间歇性水流，属于下垫面第Ⅲ类，θ、m计算公式如下：

经过复核计算，各流域设计洪峰流量成果见表3。

3.1.3 瞬时单位线法

计算公式如下：

福建沿海地区：

式中：u（o，t）—瞬时单位线纵标；Γ（n）—n阶的伽马函数；t—时间，h；n—相当于水库数或调节次数；k—调蓄系数，相当于流域汇流时间的参数；m1—瞬时单位线滞时参数，亦称瞬时单位线1阶原点矩；m1，i=10—降水量为10mm时的瞬时单位线1阶原点矩。

经过复核计算，各流域设计洪峰流量成果见表4。

表4 瞬时单位线法计算洪峰成果

3.2 不同方法计算成果比较

3种方法计算成果对比见表5。

表5 不同面积洪峰成果对比m3/s

图2 面积-洪峰关系

根据表5中3种方法计算成果，当流域面积在10km2以下推理公式法与华东地区特小流域参数法成果相当，瞬时单位线法偏小；随着流域面积增大，华东特小流域参数法成果开始偏小，线性突变转折，误差也逐渐增大；瞬时单位线法斜率几乎没有变化；而推理公式法斜率略变平缓，符合排涝模数随着面积增大而减小的客观规律。

不同流域面积，计算成果差别较大，主要原因是3种方法参数率定侧重点不同，造成适用范围有差别。

华东特小流域参数法，针对的是华东地区小于特小流域（＜10km2）的洪水计算，华东电力设计院和水科院水资源所建立了各种类型洪水参数m的计算公式，对华东地区95个测站的845场洪水做了分析和研究，统计数据中10km2以下的洪水场次占总数的52.5%；10～30km2占30.8%，30～50km2占16.7%，所以其参数对于30km2以上流域适用性相对较弱；推理公式参数法，由各省水文局根据本省内下垫面条件，并结合大量的实测洪水资料率定而来，主要适用于200km2以下流域的计算；瞬时单位线法则比较适合于集雨面积在200～1000km2的流域，小流域洪水相对偏小。

4 结语

综上所述，笔者认为在华东地区小流域设计洪水计算时，若无水文资料或资料极短缺，仅用一种方法来推求，从可信度来说，显得不客观。因此建议以本地推理公式法为主，当小流域面积小于50km2时采用华东特小流域参数法验证，当流域面积在50～200km2之间时，采用瞬时单位线法验证，从而提高计算成果精度，满足使用要求。

［1］王维新，周宪庄，张恭肃，等.华东地区特小流域洪水参数研究［J］.水文，1989（04）.

［2］陈家琦，张恭肃.小流域暴雨洪水计算［M］.北京：水利电力出版社，1985.

［3］福建省水文局.福建省暴雨径流查算图表.

TV877

A

1672-2469（2015）12-0029-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.012

石 炜（1981年—），男，高级工程师。