黎 愷，張湘君

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

山洪災(zāi)害治理中小流域暴雨洪水計(jì)算方法研究

黎 愷，張湘君

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

本文以綿遠(yuǎn)河上游山區(qū)易發(fā)生山洪災(zāi)害的三條支溝進(jìn)行研究，淺析了小流域洪水的各種計(jì)算方法，對(duì)各種計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了初步探討。

水文分析計(jì)算 推理公式法 瞬時(shí)單位線法 水文模型 水文比擬法 綿遠(yuǎn)河流域

做好山洪災(zāi)害治理工作，其中最基礎(chǔ)也是最重要的就是做好水文分析計(jì)算工作。山洪災(zāi)害治理中的水文計(jì)算，一個(gè)主要的內(nèi)容就是對(duì)治理流域的設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行計(jì)算，為工程治理措施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

然而，現(xiàn)有設(shè)計(jì)洪水的各種計(jì)算方法在計(jì)算過(guò)程中均采取了一定的假定與概化，在實(shí)際工程中用這些方法計(jì)算出來(lái)的成果差別均較大。在小流域地區(qū)，由于實(shí)測(cè)資料缺乏，對(duì)各種方法計(jì)算出來(lái)的成果合理性難以檢驗(yàn)。因此，工程中選用哪種方法來(lái)計(jì)算設(shè)計(jì)洪水對(duì)工程最為有利一直是一個(gè)難題。

本文通過(guò)選取綿遠(yuǎn)河上游山區(qū)易發(fā)生山洪災(zāi)害的三條支溝進(jìn)行研究，分別采用推理公式法、瞬時(shí)單位線法、水文模型和水文比擬法計(jì)算其設(shè)計(jì)洪水，對(duì)不同方法計(jì)算中的參數(shù)和成果進(jìn)行了分析探討。

1 項(xiàng)目區(qū)域流域情況

本次研究流域?yàn)榫d遠(yuǎn)河流域，發(fā)源于龍門(mén)山脈九頂山地南麓，自西北向東南流。流域內(nèi)設(shè)有漢旺場(chǎng)水文站，是綿遠(yuǎn)河上游山區(qū)的控制性測(cè)站。漢旺場(chǎng)水文站基本情況見(jiàn)表1。

2 山洪災(zāi)害中洪水計(jì)算方法適用性研究

2.1 計(jì)算斷面的選取

表1 漢旺場(chǎng)站水文資料情況

本次研究分別選取綿遠(yuǎn)河下游控制性斷面漢旺場(chǎng)水文站斷面以及上游三條支溝作為計(jì)算斷面。各支溝流域特征值見(jiàn)表2。

表2 支溝流域特征值

2.2 漢旺場(chǎng)站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

根據(jù)漢旺場(chǎng)水文站插補(bǔ)后的1956～2009年共54年資料，加上1943年和1947年歷史調(diào)查洪水，組成不連續(xù)系列，采用P-Ⅲ型曲線適線，求得漢旺場(chǎng)水文站年設(shè)計(jì)洪水流量(成果見(jiàn)表3)。

表3 漢旺場(chǎng)站設(shè)計(jì)洪峰流量成果 單位：m3/s

2.3 上游支溝設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

支溝設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，本次研究分別采用了推理公式法、瞬時(shí)單位線法、水文模型和水文比擬法進(jìn)行計(jì)算，分述如下。

2.3.1 推理公式法、瞬時(shí)單位線法計(jì)算成果

這兩種方法都為計(jì)算小流域暴雨洪水的常用方法，計(jì)算方法此處不再詳述，計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 各支溝設(shè)計(jì)洪水成果

2.3.2 水文模型計(jì)算成果

2.3.2.1CREST模型原理簡(jiǎn)述

CREST模型是一個(gè)基于網(wǎng)格的分布式水文模型，由俄克拉荷馬大學(xué)和NASA服務(wù)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)。CREST模型采用存在空間變化的物理地表特征(如植被、土壤類(lèi)型、和地形)，描述諸如下滲、匯流等主要的水流過(guò)程。模型耦合了產(chǎn)流要素和匯流機(jī)制，因而可以模擬低大氣邊界層、陸地表面、地下水之間的實(shí)際相互作用。以上特征使CREST模型可以應(yīng)用于全球性、區(qū)域性的大尺度流域以及中小尺度流域。

2.3.2.2 模型計(jì)算成果

模型計(jì)算成果見(jiàn)表5。

表5 模型計(jì)算各支溝設(shè)計(jì)洪水成果

2.3.3 水文比擬法

根據(jù)漢旺場(chǎng)站設(shè)計(jì)洪水成果，采用水文比擬法按面積比的n次方移算至各支溝斷面。

2.3.3.1 面積比指數(shù)n的確定

根據(jù)水文模型模擬計(jì)算的各支溝洪水成果，可反算面積比指數(shù)n(統(tǒng)計(jì)成果見(jiàn)表6)。

表6 面積比指數(shù)n值成果

2.3.3.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

根據(jù)反算的n平均值，計(jì)算各支溝設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表7。

表7 各支溝設(shè)計(jì)洪水成果

2.4 計(jì)算方法適用性分析

采用各種方法計(jì)算的上游各支溝設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表8。

表8 各支溝設(shè)計(jì)洪水成果對(duì)比

從表8可以看出，推理公式法和瞬時(shí)單位線法計(jì)算的成果較為接近，瞬時(shí)單位線法計(jì)算的成果略大一點(diǎn)(R3支溝相反)，水文比擬法的計(jì)算成果最小。

綿遠(yuǎn)河上游山區(qū)處于四川省著名的鹿頭山暴雨區(qū)中，推理公式法和瞬時(shí)單位線法均采用設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水，由于本區(qū)的暴雨強(qiáng)度大，因此其計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水也較大。漢旺場(chǎng)站處于流域的中下游，遠(yuǎn)離暴雨區(qū)，因此采用水文比擬法移算的設(shè)計(jì)洪水較小，這也符合本區(qū)的特點(diǎn)。

從地形地貌和地理位置來(lái)看，本次研究流域位于四川盆地西北部邊緣的龍門(mén)山中段，處于盆地與山區(qū)的交界地帶。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，推理公式法主要適用在山丘區(qū)的效果較好，而瞬時(shí)單位線法不僅適用于山丘區(qū)，對(duì)平原區(qū)小流域也同樣適用。因此，對(duì)于本次研究的平原與山區(qū)交接地帶，瞬時(shí)單位線法更為適用。

從流域面積來(lái)看，本次研究的各支溝面積介于40km2～60km2之間。推理公式法一般適用于面積較小的流域(50km2以下)，例如安岳掛石溝水庫(kù)，控制集雨面積10.5km2；又例如各灌區(qū)的渠系設(shè)計(jì)洪水，一般面積都是10km2以下，均采用推理公式法計(jì)算其設(shè)計(jì)洪水。因此本次研究流域采用瞬時(shí)單位線法更為適宜。

從流域的暴雨特性來(lái)看，本次研究流域位于暴雨區(qū)中。推理公式法注重洪峰而不注重洪水過(guò)程，洪水過(guò)程是利用三點(diǎn)法或五點(diǎn)法概化模型得出，其計(jì)算參數(shù)也只需要提供設(shè)計(jì)暴雨成果，而不需要暴雨過(guò)程。瞬時(shí)單位線法更注重過(guò)程，其由設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程推求設(shè)計(jì)凈雨過(guò)程，進(jìn)而求得設(shè)計(jì)洪水過(guò)程，對(duì)于處于暴雨區(qū)中的小流域，本文認(rèn)為由暴雨過(guò)程求得的洪水過(guò)程而統(tǒng)計(jì)出來(lái)設(shè)計(jì)洪峰流量應(yīng)該更為符合實(shí)際。

從水文模型模擬的情況來(lái)看，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的不同n值(表6)采用水文比擬法計(jì)算的各支溝設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表9。

表9 按不同面積比指數(shù)n值移算成果

從表9中可以看出，當(dāng)按照最小n值移算時(shí)，其成果與采用瞬時(shí)單位線法的成果已基本相同。因此，對(duì)于地理位置位于平原與山區(qū)交接地帶、又處于暴雨區(qū)的小流域地區(qū)，水文比擬法面積比指數(shù)宜采用0.35～0.45。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)山洪災(zāi)害防治中水文分析計(jì)算常用的推理公式法、瞬時(shí)單位線法和水文比擬法計(jì)算結(jié)果往往相差較大的實(shí)際工程問(wèn)題，以四川省“5.12”汶川大地震影響較大、山洪災(zāi)害較為突出的綿遠(yuǎn)河漢旺場(chǎng)水文站以上控制流域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)對(duì)以上三種主要方法的計(jì)算成果進(jìn)行分析、討論，可以得出以下主要結(jié)論：

(1)以漢旺場(chǎng)水文站為控制，建立的綿遠(yuǎn)河上游包括三條支溝的分布式水文模型(CREST)基本能夠揭示三條無(wú)水文觀測(cè)資料支溝的洪水特征以及洪峰流量的大小；

(2)對(duì)于本文研究的綿遠(yuǎn)河流域，從其地形地貌、地理位置、流域特征值以及暴雨特性來(lái)看，平原與山區(qū)交接地帶，集雨面積在50km2以上流域宜采用瞬時(shí)單位線法計(jì)算其設(shè)計(jì)洪水；

(3)推理公式法主要適用于流域面積在50km2以下流域，尤其是10km2以下的小流域；

(4)水文比擬法按通常采用的面積比的2/3次方計(jì)算，會(huì)在三種方法的計(jì)算結(jié)果中偏小。為了探討水文比擬法的適用性，利用分布式水文模型(CREST)的模擬成果進(jìn)行了反演分析，對(duì)于與本次研究流域類(lèi)似的流域，水文比擬法中的面積比指數(shù)宜采用0.35～0.45。

〔1〕陳家琦，張恭肅.小流域暴雨洪水計(jì)算.北京：水利電力出版社，1983.

〔2〕林平一.小匯水面積暴雨徑流計(jì)算法.北京：水利出版社，1956.

〔3〕陳家琦等.小流域暴雨洪水計(jì)算問(wèn)題.北京：中國(guó)工業(yè)出版社，1966.

〔4〕王克平，許清香，馮民權(quán).無(wú)資料地區(qū)小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法研究.電網(wǎng)與清潔能源，2008.

黎 愷(1982.1-)，男，漢，工程碩士，工程師，從事水文分析計(jì)算工作。

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