山洪灾害治理中小流域暴雨洪水计算方法研究

黎 恺，张湘君

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

山洪灾害治理中小流域暴雨洪水计算方法研究

黎 恺，张湘君

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

本文以绵远河上游山区易发生山洪灾害的三条支沟进行研究，浅析了小流域洪水的各种计算方法，对各种计算方法的优缺点进行了初步探讨。

水文分析计算 推理公式法 瞬时单位线法 水文模型 水文比拟法 绵远河流域

做好山洪灾害治理工作，其中最基础也是最重要的就是做好水文分析计算工作。山洪灾害治理中的水文计算，一个主要的内容就是对治理流域的设计洪水进行计算，为工程治理措施提供基础数据。

然而，现有设计洪水的各种计算方法在计算过程中均采取了一定的假定与概化，在实际工程中用这些方法计算出来的成果差别均较大。在小流域地区，由于实测资料缺乏，对各种方法计算出来的成果合理性难以检验。因此，工程中选用哪种方法来计算设计洪水对工程最为有利一直是一个难题。

本文通过选取绵远河上游山区易发生山洪灾害的三条支沟进行研究，分别采用推理公式法、瞬时单位线法、水文模型和水文比拟法计算其设计洪水，对不同方法计算中的参数和成果进行了分析探讨。

1 项目区域流域情况

本次研究流域为绵远河流域，发源于龙门山脉九顶山地南麓，自西北向东南流。流域内设有汉旺场水文站，是绵远河上游山区的控制性测站。汉旺场水文站基本情况见表1。

2 山洪灾害中洪水计算方法适用性研究

2.1 计算断面的选取

表1 汉旺场站水文资料情况

本次研究分别选取绵远河下游控制性断面汉旺场水文站断面以及上游三条支沟作为计算断面。各支沟流域特征值见表2。

表2 支沟流域特征值

2.2 汉旺场站设计洪水计算

根据汉旺场水文站插补后的1956～2009年共54年资料，加上1943年和1947年历史调查洪水，组成不连续系列，采用P-Ⅲ型曲线适线，求得汉旺场水文站年设计洪水流量(成果见表3)。

表3 汉旺场站设计洪峰流量成果 单位：m3/s

2.3 上游支沟设计洪水计算

支沟设计洪水计算，本次研究分别采用了推理公式法、瞬时单位线法、水文模型和水文比拟法进行计算，分述如下。

2.3.1 推理公式法、瞬时单位线法计算成果

这两种方法都为计算小流域暴雨洪水的常用方法，计算方法此处不再详述，计算成果见表4。

表4 各支沟设计洪水成果

2.3.2 水文模型计算成果

2.3.2.1CREST模型原理简述

CREST模型是一个基于网格的分布式水文模型，由俄克拉荷马大学和NASA服务项目团队开发。CREST模型采用存在空间变化的物理地表特征(如植被、土壤类型、和地形)，描述诸如下渗、汇流等主要的水流过程。模型耦合了产流要素和汇流机制，因而可以模拟低大气边界层、陆地表面、地下水之间的实际相互作用。以上特征使CREST模型可以应用于全球性、区域性的大尺度流域以及中小尺度流域。

2.3.2.2 模型计算成果

模型计算成果见表5。

表5 模型计算各支沟设计洪水成果

2.3.3 水文比拟法

根据汉旺场站设计洪水成果，采用水文比拟法按面积比的n次方移算至各支沟断面。

2.3.3.1 面积比指数n的确定

根据水文模型模拟计算的各支沟洪水成果，可反算面积比指数n(统计成果见表6)。

表6 面积比指数n值成果

2.3.3.2 设计洪水计算

根据反算的n平均值，计算各支沟设计洪水成果见表7。

表7 各支沟设计洪水成果

2.4 计算方法适用性分析

采用各种方法计算的上游各支沟设计洪水成果见表8。

表8 各支沟设计洪水成果对比

从表8可以看出，推理公式法和瞬时单位线法计算的成果较为接近，瞬时单位线法计算的成果略大一点(R3支沟相反)，水文比拟法的计算成果最小。

绵远河上游山区处于四川省著名的鹿头山暴雨区中，推理公式法和瞬时单位线法均采用设计暴雨推求设计洪水，由于本区的暴雨强度大，因此其计算的设计洪水也较大。汉旺场站处于流域的中下游，远离暴雨区，因此采用水文比拟法移算的设计洪水较小，这也符合本区的特点。

从地形地貌和地理位置来看，本次研究流域位于四川盆地西北部边缘的龙门山中段，处于盆地与山区的交界地带。根据工程实践经验，推理公式法主要适用在山丘区的效果较好，而瞬时单位线法不仅适用于山丘区，对平原区小流域也同样适用。因此，对于本次研究的平原与山区交接地带，瞬时单位线法更为适用。

从流域面积来看，本次研究的各支沟面积介于40km2～60km2之间。推理公式法一般适用于面积较小的流域(50km2以下)，例如安岳挂石沟水库，控制集雨面积10.5km2；又例如各灌区的渠系设计洪水，一般面积都是10km2以下，均采用推理公式法计算其设计洪水。因此本次研究流域采用瞬时单位线法更为适宜。

从流域的暴雨特性来看，本次研究流域位于暴雨区中。推理公式法注重洪峰而不注重洪水过程，洪水过程是利用三点法或五点法概化模型得出，其计算参数也只需要提供设计暴雨成果，而不需要暴雨过程。瞬时单位线法更注重过程，其由设计暴雨过程推求设计净雨过程，进而求得设计洪水过程，对于处于暴雨区中的小流域，本文认为由暴雨过程求得的洪水过程而统计出来设计洪峰流量应该更为符合实际。

从水文模型模拟的情况来看，根据统计的不同n值(表6)采用水文比拟法计算的各支沟设计洪水成果见表9。

表9 按不同面积比指数n值移算成果

从表9中可以看出，当按照最小n值移算时，其成果与采用瞬时单位线法的成果已基本相同。因此，对于地理位置位于平原与山区交接地带、又处于暴雨区的小流域地区，水文比拟法面积比指数宜采用0.35～0.45。

3 结语

本文针对山洪灾害防治中水文分析计算常用的推理公式法、瞬时单位线法和水文比拟法计算结果往往相差较大的实际工程问题，以四川省“5.12”汶川大地震影响较大、山洪灾害较为突出的绵远河汉旺场水文站以上控制流域为研究对象，通过对以上三种主要方法的计算成果进行分析、讨论，可以得出以下主要结论：

(1)以汉旺场水文站为控制，建立的绵远河上游包括三条支沟的分布式水文模型(CREST)基本能够揭示三条无水文观测资料支沟的洪水特征以及洪峰流量的大小；

(2)对于本文研究的绵远河流域，从其地形地貌、地理位置、流域特征值以及暴雨特性来看，平原与山区交接地带，集雨面积在50km2以上流域宜采用瞬时单位线法计算其设计洪水；

(3)推理公式法主要适用于流域面积在50km2以下流域，尤其是10km2以下的小流域；

(4)水文比拟法按通常采用的面积比的2/3次方计算，会在三种方法的计算结果中偏小。为了探讨水文比拟法的适用性，利用分布式水文模型(CREST)的模拟成果进行了反演分析，对于与本次研究流域类似的流域，水文比拟法中的面积比指数宜采用0.35～0.45。

〔1〕陈家琦，张恭肃.小流域暴雨洪水计算.北京：水利电力出版社，1983.

〔2〕林平一.小汇水面积暴雨径流计算法.北京：水利出版社，1956.

〔3〕陈家琦等.小流域暴雨洪水计算问题.北京：中国工业出版社，1966.

〔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.电网与清洁能源，2008.

黎 恺(1982.1-)，男，汉，工程硕士，工程师，从事水文分析计算工作。

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2095-1809(2016)01-0061-03