楊 欽 ，鄒文安 ，王 誠(chéng)

（1.吉林省水利科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春130022；2.吉林省水文實(shí)驗(yàn)研究所，吉林 長(zhǎng)春130033；3.松遼水利委員會(huì)移民開發(fā)中心，吉林 長(zhǎng)春130021）

1 概述

在小面積坡面設(shè)計(jì)洪峰流量工程設(shè)計(jì)中，常用的方法有：

1）水科所法。主要是圍繞各時(shí)段設(shè)計(jì)暴雨、暴雨時(shí)程分配，計(jì)算前期影響雨量、推算凈雨深，以及根據(jù)入滲損失參數(shù)、產(chǎn)流歷時(shí)、匯流歷時(shí)和匯流參數(shù)等，推算洪峰流量。該方法相對(duì)完善，應(yīng)用較多，但計(jì)算過程較繁瑣。

2）地區(qū)綜合法。實(shí)際上是由流量資料推求設(shè)計(jì)洪水一種算法。利用區(qū)域多年的最大流量、各時(shí)段最大洪量和變差系數(shù)等成果，推求設(shè)計(jì)最大流量、各時(shí)段最大洪量；再利用洪水歷時(shí)、洪量等成果，推算洪水總歷時(shí)、洪水過程線，根據(jù)設(shè)計(jì)倍比系數(shù)推求洪水過程線。該方法理論依據(jù)充分，也較符合實(shí)際，但需要較多歷史資料，計(jì)算過程復(fù)雜。

3）單位線法。實(shí)際上是一種蓄滿產(chǎn)流模型，它是由降水徑流關(guān)系推算凈雨深、由實(shí)際發(fā)生的洪水過擬合洪水設(shè)計(jì)單位線。該模型理論依據(jù)科學(xué)合理，符合實(shí)際，精度高，常用于水文短期洪水預(yù)報(bào)。不足之處是對(duì)歷史場(chǎng)次降水、洪水資料要求較多，且洪水單位線不宜移植。

4）經(jīng)驗(yàn)公式法和羅斯托莫夫法。是基于無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪峰流量的一種算法，這兩種算法考慮影響因素不多，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，但計(jì)算結(jié)果受人為影響較大。

5）鐵院法。實(shí)際上是由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水一種算法，也是對(duì)羅斯托莫夫法改進(jìn)的一種算法。該方法是通過設(shè)計(jì)暴雨、區(qū)域地理水文等參數(shù)，分析確定土壤穩(wěn)定下滲率、推算匯流參數(shù)；再根據(jù)暴雨指數(shù)、穩(wěn)定下滲率、設(shè)計(jì)雨力、匯流參數(shù)等，試算徑流系數(shù)，推算匯流時(shí)間，進(jìn)而設(shè)計(jì)坡面洪峰流量。該方法比較直觀、簡(jiǎn)單、容易理解，相對(duì)來講，理論依據(jù)充分，符合實(shí)際，應(yīng)用較廣泛。

本次著重分析研究由暴雨資料推求小面積坡面設(shè)計(jì)洪水（即鐵院法）過程。

2 鐵院法小面積坡面設(shè)計(jì)洪峰流量算法

2.1 工程控制區(qū)域地理、水文基本參數(shù)

本算法需要的地理、水文基本參數(shù)主要包括：工程控制面積F(km2)、坡面長(zhǎng)度L0(km)、坡面坡度J0(%)、坡地匯流糙率n、暴雨指數(shù)N1，N2和主要土壤質(zhì)地等。

2.2 設(shè)計(jì)暴雨

根據(jù)工程所在區(qū)域和水文圖集等資料，查算最大24 h多年平均降水量H24、多年變差系數(shù)Cv，Cs/Cv采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)3.5。根據(jù)工程設(shè)計(jì)的頻率，在皮爾遜Ⅲ型曲線的模比系數(shù)表中查得對(duì)應(yīng)的KP值，利用下式設(shè)計(jì)暴雨H24j（時(shí)段為24 h）。

式中：KP——設(shè)計(jì)頻率的模比系數(shù)；H24——24 h多年平均降水量，mm。

2.3 設(shè)計(jì)雨力

當(dāng)匯流歷時(shí)小于等于60 min時(shí)，設(shè)計(jì)雨力Sp計(jì)算公式為

當(dāng)匯流歷時(shí)大于60 min時(shí)，設(shè)計(jì)雨力Sp計(jì)算公式為

2.4 全面匯流時(shí)間參數(shù)

坡地全面匯流時(shí)間參數(shù)K0采用下面公式計(jì)算

2.5 產(chǎn)峰徑流系數(shù)

產(chǎn)峰徑流系數(shù)C需試算求得，試算方法為：假定產(chǎn)峰徑流系數(shù)C，計(jì)算兩個(gè)匯流參數(shù)特征值A(chǔ)，B，通過試算產(chǎn)峰徑流系數(shù)，使A，B即（5）式與（6）式相等或相近，那么，產(chǎn)峰徑流系數(shù)C即為所求。

式中：μ為穩(wěn)定下滲率，mm/min。

2.6 坡地全面匯流時(shí)間

坡地全面匯流時(shí)間τ0采用公式⑺計(jì)算

2.7 坡地洪峰流量

坡地洪峰流量Qm采用下面公式計(jì)算

3 基于Excel平臺(tái)小面積坡面設(shè)計(jì)洪峰流量的應(yīng)用

由于本算法計(jì)算量較大，且產(chǎn)峰徑流系數(shù)C需要試算，計(jì)算較繁瑣，為此，以Excel為技術(shù)平臺(tái)，建立計(jì)算模板，能夠很好地解決這個(gè)問題。

模板設(shè)計(jì)思路是利用Excel工具表中單元格能夠定位的特點(diǎn)，把已知工程控制區(qū)域的地理、水文基本參數(shù)、查算暴雨特征值以及中間計(jì)算成果等數(shù)據(jù)定位賦值到各單元格，再利用Excel內(nèi)置的加減乘除、指數(shù)等函數(shù)、邏輯函數(shù)等，把這些單元格和小面積坡面設(shè)計(jì)洪峰流量的計(jì)算公式定位鏈接起來，建立起能夠進(jìn)行一次性運(yùn)算設(shè)計(jì)洪峰流量模板。

本文以吉林省中部某個(gè)河流為例，建立Excel技術(shù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算模板。該河流集水面積240 km2，坡面平均長(zhǎng)度2.34 km，坡面坡度1.78%，坡地匯流糙率為0.1，土壤質(zhì)地以壤土為主；多年平均最大24 h降水量為72 mm，多年變差系數(shù)為0.54，暴雨指數(shù)分別為0.55，0.72等。

3.1 工程控制區(qū)域地理、水文基本參數(shù)

將已知的有關(guān)地理、水文基本參數(shù)直接在單元格中賦值，見圖1中的單元格B5～J5，B9～F9等。其中，J5是根據(jù)工程控制區(qū)域主要土壤質(zhì)地在表3中選取對(duì)應(yīng)數(shù)值，I9是根據(jù)控制區(qū)域面積和經(jīng)驗(yàn)來界定，并用坡地全面匯流時(shí)間τ0來檢驗(yàn)（見圖2中的表6）。

3.2 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨H24=KPH24，對(duì)應(yīng)的單元格為G9=F9·C9，見圖1。

3.3 設(shè)計(jì)雨力計(jì)算

設(shè)計(jì)雨力計(jì)算首先需要判斷匯流歷時(shí)是否小于等于60 min，小于等于60 min設(shè)計(jì)雨力采用公式（2），否則選用公式（3）。

模板采用 Excel中的邏輯判斷函數(shù) IF(logical_test，value_if_true，value_if_false)來實(shí)現(xiàn)的，對(duì)應(yīng)窗口代碼為“=IF(I9＜=60，G9/(60^(1-G5)·24^(1-H5))，C9/1 440^(1-H5))”，見圖1中的單元格H9。

3.4 計(jì)算坡地全面匯流時(shí)間參數(shù)

坡地全面匯流時(shí)間參數(shù)K0是計(jì)算全面匯流時(shí)間τ0的中間參數(shù)，計(jì)算公式如⑷所示，對(duì)應(yīng)窗口代碼為“=680·(F5·C5)^0.6/D5^0.3”，見圖 2 中的單元格 B22。

3.5 產(chǎn)峰徑流系數(shù)試算

產(chǎn)峰徑流系數(shù)C是通過人工賦值（試算），使匯流參數(shù)特征值A(chǔ)，B相等或相近（對(duì)應(yīng)計(jì)算公式⑸、公式⑹），那么，C即為所求。見圖2表5中的單元格I27，公式⑸、公式⑹對(duì)應(yīng)單元格分別是F27、J27，對(duì)應(yīng)窗口代碼分別為“=C27·(D27/E27)^(1/(1-0.4·B27))”、“=(1-I27)·I27^(0.4·B27/(1-0.4·B27))”。

3.6 坡地全面匯流時(shí)間

用τ0表示，見圖2表6中的單元格F32，對(duì)應(yīng)計(jì)算公式⑺，對(duì)應(yīng)窗口代碼為“=(B22/(B32·C32)^0.4)^(1/(1-0.4·E32))”。

3.7 坡地洪峰流量計(jì)算

用Qm表示，見圖2表6中的單元格I32，對(duì)應(yīng)計(jì)算公式⑻，對(duì)應(yīng)窗口代碼為“=16.67·C32·B32·H32/G32”，計(jì)算結(jié)果是985 m3/s。

4 模版優(yōu)缺點(diǎn)

1）優(yōu)點(diǎn)：實(shí)用性較強(qiáng)；直觀、易懂，便于理解“鐵院法”小面積坡面設(shè)計(jì)洪峰流量算法；人機(jī)交互性能好，運(yùn)算數(shù)據(jù)、成果具有可視性，便于適時(shí)掌握模板各有關(guān)數(shù)據(jù)、成果變化規(guī)律。

2）缺點(diǎn)：Excel工作表中鏈接公式保護(hù)性不強(qiáng)，界面不夠美觀。