劉冬梅，羅永強(qiáng)，郭應(yīng)潔

(1. 貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng)550002;2. 貴州東方世紀(jì)科技有限責(zé)任公司，貴陽(yáng)550002)

1 概 述

貴州省水利廳1983年編制完成的《貴州省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)》(以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》)，多年來(lái)在貴州省各個(gè)部門(mén)得到廣泛應(yīng)用，對(duì)中小流域，特別是無(wú)實(shí)測(cè)洪水資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算、復(fù)核發(fā)揮了重要作用，已成為全省中小流域無(wú)資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的“實(shí)用手冊(cè)”。

1988年，原編制單位針對(duì)小匯水流域雨洪計(jì)算公式的計(jì)算成果存在的偏差，編制完成了“貴州省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)(修訂本)——小匯水流域部分”(以下簡(jiǎn)稱《修訂本》)，并經(jīng)貴州省水利廳審閱，已作為《手冊(cè)》補(bǔ)充計(jì)算方法廣泛應(yīng)用［1］。

貴州省水文水資源局完成的《貴州省特小流域暴雨洪水計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》研究報(bào)告，對(duì)《修訂本》中10≤F ＜25 km2條件下的洪峰流量計(jì)算公式進(jìn)行了調(diào)整。根據(jù)《手冊(cè)》及《修訂本》的計(jì)算方法和原理將其編成軟件，并集成在《工程水文分析計(jì)算集成應(yīng)用軟件PHAC》中，對(duì)《手冊(cè)》的應(yīng)用起到一定的推動(dòng)和標(biāo)準(zhǔn)化作用。

本文簡(jiǎn)述《手冊(cè)》的計(jì)算原理及其應(yīng)用，并根據(jù)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)應(yīng)用中的一些問(wèn)題提出處理意見(jiàn)，希望能對(duì)貴州省暴雨洪水計(jì)算及其發(fā)展有所裨益。

2 計(jì)算方法

設(shè)計(jì)洪水由洪峰流量QP、洪量WP及洪水過(guò)程線Qi～t 三要素組成，《手冊(cè)》及《修訂本》對(duì)各要素的推導(dǎo)情況簡(jiǎn)述如下:

2.1 洪峰流量計(jì)算公式

《手冊(cè)》采用陳家琦《小流域暴雨洪水計(jì)算》推理公式法，兩個(gè)基本方程為:

聯(lián)解:代入?yún)?shù)n、β、a 和b，得:

1)當(dāng)300≤F ＜1000 km2時(shí):

2)當(dāng)25≤F ＜300 km2，且θ ＞30 時(shí):

3)當(dāng)25≤F ＜300 km2，且θ ≤30 時(shí):

4)當(dāng)10≤F ＜25 km2時(shí):

5)當(dāng)1≤F ＜10 km2時(shí):

以上洪峰流量計(jì)算公式中，字符的意義，詳見(jiàn)《手冊(cè)》及《修訂本》。參數(shù)可分為3 類:①流域特征參數(shù)F、L 和J，根據(jù)地形圖量算;②暴雨參數(shù)，以雨量參證站歷年最大1 d降水量通過(guò)p －Ⅲ型頻率曲線適線，得統(tǒng)計(jì)參數(shù)由此得KP，并用確定最大24 h點(diǎn)雨量均值，當(dāng)F ＜10 km2時(shí)，需要通過(guò)計(jì)算SP;③產(chǎn)匯流參數(shù)γ(或γ1)、C(或C1)，γ 和C 根據(jù)選擇的分區(qū)由《手冊(cè)》附表(10)和附表(9)查算，γ1和C1由《修訂本》“表1 －2”和“表4”查算，參數(shù)確定后，即可計(jì)算QP。因采用平均的暴雨衰減指數(shù)計(jì)算，最后需要對(duì)QP進(jìn)行修正，利用n2、n3和τ，在《手冊(cè)》附表(13)查得換算系數(shù)Kh，則Qpn= KhQP。

2.2 洪水總量

由暴雨計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，其設(shè)計(jì)洪量為時(shí)段洪量，是指某時(shí)段暴雨所產(chǎn)生的相應(yīng)洪量?！妒謨?cè)》采用時(shí)段為24 h，其設(shè)計(jì)洪量W 按24h 流域設(shè)計(jì)面雨量H24產(chǎn)生的相應(yīng)徑流深h24計(jì)算，即W =0.1 h24F。

對(duì)于徑流深h24，可簡(jiǎn)單理解為徑流系數(shù)C 與流域設(shè)計(jì)面雨量H24的積(CH24)，但《手冊(cè)》的徑流系數(shù)C 指的是洪峰徑流系數(shù)，表示在匯流時(shí)間τ 內(nèi)，最大徑流深與最大降水量的比值(hτ/Hτ)，由于匯流時(shí)間τ 內(nèi)的降雨強(qiáng)度＞24 h的降雨強(qiáng)度，故其洪峰徑流系數(shù)也＞24 h的徑流系數(shù)，由此計(jì)算的洪量偏大。

《手冊(cè)》采用扣損法計(jì)算徑流深h24，即設(shè)計(jì)面雨量H24在τ 時(shí)段內(nèi)扣除穩(wěn)定雨損Hs，τ ～24h 時(shí)段扣除附加雨損(其中:則h24= H24－(Hs+ △Hs)。以《手冊(cè)》松柏山水庫(kù)算例P =0.1% 降雨為例，CH24=198 mm，而h24=189 mm，前者大4.8%。

2.3 洪水過(guò)程線

《手冊(cè)》的洪水過(guò)程線，為20個(gè)節(jié)點(diǎn)的概化單峰型洪水過(guò)程線，表示1 次降雨(24 h)產(chǎn)生的1 次洪水過(guò)程。在匯流分區(qū)的基礎(chǔ)上，按洪水形狀系數(shù)σ全省分為三級(jí)(σ =0.30，0.25及0.20)進(jìn)行地區(qū)綜合，成果見(jiàn)《手冊(cè)》附表(15)。

洪水過(guò)程線計(jì)算時(shí)，在計(jì)算出QP的基礎(chǔ)上，利用下式計(jì)算τ:

按《手冊(cè)》，最大24 h降雨產(chǎn)生的徑流深h24形成洪水總量，洪峰徑流深hτ形成矩形概化洪水過(guò)程線的洪量，△h = h24－h(huán)τ作為附加安全洪水徑流深，附加于概化洪水過(guò)程的退水部分。其比例系數(shù)K 為:

式中:a0為概化線漲水面積和總面積的比值。

應(yīng)用時(shí)，在計(jì)算出h24和hτ的基礎(chǔ)上，由匯流分區(qū)在《手冊(cè)》附表(15)選定概化洪水過(guò)程及a0，計(jì)算退水放大比例系數(shù)K，因Tm= τ，可求出洪水過(guò)程線，時(shí)間為t = ［t/Tm］× τ，洪峰出現(xiàn)時(shí)間為tQm，退水部分t = tQm+［t/(Tm)× τ － tQm× K］(說(shuō)明手冊(cè)原計(jì)算式有誤，按王繼輝教授的意見(jiàn)修改)，流量為Qt［Qt/Qm］×Qp，其中的［t/Tm］、［Qt/Qm］為概化洪水過(guò)程線坐標(biāo)值。

3 軟件編制

從《手冊(cè)》及其《修訂本》的計(jì)算原理和方法可見(jiàn)，應(yīng)用中先要作一些必要的判斷，依據(jù)流域面積F和流域的幾何特征值θ，確定洪峰QP的計(jì)算公式;根據(jù)設(shè)計(jì)流域特性和地理位置，選擇匯流參數(shù)γ 的分區(qū)和大暴雨時(shí)面深分區(qū)，然后是大量的查表和繁瑣的計(jì)算。因此，將其電算化十分必要，為此，貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院根據(jù)《手冊(cè)》編制了暴雨洪水計(jì)算軟件，軟件輸入簡(jiǎn)便、界面實(shí)用、成果規(guī)范、準(zhǔn)確。

3.1 軟件輸入

3.2 人機(jī)界面

軟件按照輸入?yún)?shù)，自動(dòng)選用洪峰QP公式，按γ分區(qū)查算γ(或γ1 )均值，洪峰徑流系數(shù)C 均值，并計(jì)算從而得到在產(chǎn)匯流參數(shù)取均值情況下的成果，然后，用戶可根據(jù)流域特征對(duì)γ 和C 做適當(dāng)調(diào)整，即可得到不同設(shè)計(jì)頻率的洪水過(guò)程線圖表。

3.3 輸出成果

軟件提供了15個(gè)固定設(shè)計(jì)頻率及1個(gè)任意頻率的中間計(jì)算參數(shù)成果表，以及用戶自選設(shè)計(jì)頻率的洪水過(guò)程線圖表，輸出成果規(guī)范，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

由表1 可見(jiàn)，電算值與《手冊(cè)》數(shù)據(jù)的誤差均在1%以內(nèi)，因《手冊(cè)》所列算例對(duì)過(guò)程線退水部分進(jìn)行峰后降雨修正計(jì)算有誤，使其過(guò)程線總量W 比設(shè)計(jì)洪量Wh24偏大，軟件對(duì)此進(jìn)行了處理，因此二者差別很小。

4 應(yīng)用中存在的問(wèn)題及處理意見(jiàn)

4.1 基本參數(shù)的確定

前述基本參數(shù)中，流域面積F 指地表分水嶺范圍，閉流區(qū)(麻窩地、暗河、伏流等)面積≤20%的明流區(qū)，若閉流區(qū)面積＞20%，應(yīng)只計(jì)算明流區(qū)產(chǎn)生的洪水，閉流區(qū)洪水采用調(diào)查、實(shí)測(cè)等方法確定，然后疊加形成總的洪水;河長(zhǎng)L 指從分水嶺到出口斷面的主河道長(zhǎng)度，地形圖上分水嶺一帶一般無(wú)河流線，可沿地形低洼處延長(zhǎng)河流線;比降J 指沿河長(zhǎng)L 縱斷面的加權(quán)坡降，不能簡(jiǎn)單以總落差除河長(zhǎng)L 求得，其計(jì)算公式為:

《手冊(cè)》將全省劃分為Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3共5個(gè)匯流參數(shù)分區(qū)，匯流參數(shù)γ 從小到大為Ⅰ2、Ⅱ3、Ⅰ1、Ⅱ2、Ⅱ1，以設(shè)計(jì)流域的地形、巖溶、植被狀態(tài)為主來(lái)選擇分區(qū)，《手冊(cè)》表(10)中的“典型代表地區(qū)”為輔助選擇條件，在選擇最小(Ⅰ2)和最大(Ⅱ1)作為設(shè)計(jì)流域分區(qū)時(shí)，建議做充分的論述，以免洪水過(guò)于偏小或偏大。

《手冊(cè)》給出的γ(或γ1)值最大差別為114%，均值差別為77.5%，在具體的某一區(qū)域，如Ⅰ1區(qū)，最小值(0.05)和最大值(0.06)差別為20%(對(duì)洪峰的影響為18.3%)，因此選擇匯流參數(shù)分區(qū)及確定γ 值很關(guān)鍵，要慎重。

匯流參數(shù)分區(qū)確定后，產(chǎn)流分區(qū)相應(yīng)得到確定，在《手冊(cè)》洪峰徑流參數(shù)C 查值表(9)中，有均值、最小值～最大值，一般選擇均值查算，在軟件計(jì)算時(shí)，劃分為9個(gè)查值系列，以適應(yīng)不同的產(chǎn)流情況。

4.2 不同公式對(duì)洪峰流量計(jì)算的影響

根據(jù)流域面積F 和流域的幾何特征值θ，《手冊(cè)》及《修訂本》將洪峰流量計(jì)算公式分為5個(gè)級(jí)別，3個(gè)分界點(diǎn)，適用范圍為1≤F ＜1 000 km2。以《手冊(cè)》松柏山水庫(kù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)(P =0.1%的H24P=273.6 mm，C =0.83)，以不同的流域特征參數(shù)F、L和J，計(jì)算分界點(diǎn)的洪峰流量見(jiàn)表2(表中流域幾何特征參數(shù)為假定值)。

表1 松柏山水庫(kù)算例數(shù)據(jù)比較

表2 計(jì)算分界點(diǎn)的洪峰流量

在分界點(diǎn)300 km2處，可用《手冊(cè)》3 －5 －3 式、3－5 －2 式(θ ＞30)，和《修訂本》修訂1 式(θ ≤30)計(jì)算，《手冊(cè)》的兩個(gè)公式相差0.21%，修訂1 式略大4.17%。

在分界點(diǎn)25 km2處，可用《手冊(cè)》3 －5 －2 式(θ＞30)，《修訂本》修訂1 式(θ≤30)，修訂2 式，以及特24 h式和特6 h式計(jì)算，3 －5 －2 式比修訂1 式小31.1%，修訂1 式與修訂2 式一致，特24 h式比修訂1 式大5.3%，特24 h式和特6 h式一致。

在分界點(diǎn)10 km2處，可用修訂2 式，特24 h式和修訂3 式計(jì)算，前兩式相差4.6%，修訂3 式比特24 h式大28.5%。因此建議，在F ＞25 km2附近，若仍采用《手冊(cè)》3 －5 －2 式計(jì)算，參數(shù)(γ 和C)應(yīng)偏大取值;在10 ＜F ≤25 km2范圍，采用特24 h式計(jì)算，靠近25 km2時(shí)參數(shù)略取小值，靠近10 km2時(shí)參數(shù)偏大取值;在靠近F ＜10 km2采用修訂3 式計(jì)算時(shí)，參數(shù)略取小值。如圖1 所示。

圖1 分界點(diǎn)參數(shù)取值趨勢(shì)線圖

4.3 設(shè)計(jì)洪量問(wèn)題

對(duì)于設(shè)計(jì)洪量，《手冊(cè)》按24 h雨量的徑流深h24計(jì)算，即W = 0.1 h24F。設(shè)計(jì)流域的某一設(shè)計(jì)頻率P 的洪水，當(dāng)洪峰徑流系數(shù)C 增加，將導(dǎo)致Qp增加，τ減小，［24 －τ］增大，而h24= H24－(Hs+24 －τ)將減小，從而使洪量減小，這里需要正確理解洪峰徑流系數(shù)與洪水過(guò)程徑流系數(shù)不同的概念。

由于《手冊(cè)》中τ (≤24)內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)定雨損Hs為常數(shù)，隨著流域面積減小，τ (≤24)減小，雨損增加，導(dǎo)致徑流系數(shù)C 減小，因此，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)h24＜hτ的不合理情況，《手冊(cè)》認(rèn)為此時(shí)“計(jì)算流域的匯流特性已超出使用范圍，不宜應(yīng)用”。

基于此，在軟件計(jì)算中，若遇到h24＜hτ時(shí)，采用hτ計(jì)算設(shè)計(jì)洪量，這與《手冊(cè)》第35 頁(yè)談到用h24和hτ兩種方法計(jì)算洪量的思路是一致的。

4.4 洪水過(guò)程線

《手冊(cè)》洪水過(guò)程線通過(guò)概化過(guò)程線坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算，其峰現(xiàn)時(shí)間tm和總歷時(shí)Σt 由矩化歷時(shí)Tm控制，因?yàn)槿m= τ，故取決于τ。3 條概化線分別為tm=(0.55、0.6 或0.72)τ，Σt =(5、4 或3.33)τ。

由于τ 隨洪峰流量QP增加而減小，因此，洪峰越大，峰現(xiàn)越早，過(guò)程線越短，從而導(dǎo)致不同頻率的過(guò)程線末端出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。

與其他常用的暴雨洪水計(jì)算方法比較，“一院兩所法”的洪水過(guò)程線，也是大洪水的洪峰先出現(xiàn)，但總歷時(shí)Σt 更長(zhǎng);而單位線法、水科院推理公式5 點(diǎn)概化線法，各頻率的洪峰歷時(shí)、過(guò)程線總長(zhǎng)相同。

軟件計(jì)算中，在遵循《手冊(cè)》的前提下，做了如下局部調(diào)整:

1)對(duì)退水段做微小修正，使由洪水過(guò)程線計(jì)算的洪量等于設(shè)計(jì)洪量。

2)將各頻率的洪水過(guò)程線結(jié)束點(diǎn)統(tǒng)一，以避免末端出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。

3)提供一個(gè)比較方案，即將洪峰歷時(shí)統(tǒng)一，因?yàn)榘凑铡皩?shí)測(cè)典型洪水過(guò)程線放大”法，其洪峰歷時(shí)tm、過(guò)程線總歷時(shí)Σt 是一樣的，這種處理與單位線法、水科院推理公式5 點(diǎn)概化線法類似，但與《手冊(cè)》不一致，僅供比較。

4.5 關(guān)于“1 h暴雨成峰，24 h暴雨成量”問(wèn)題

當(dāng)流域面積＜10 km2時(shí)，需要計(jì)算最大1h 暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)，以便采用修訂3 式計(jì)算洪峰流量，同時(shí)也要計(jì)算最大24 h暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)，以計(jì)算洪量。

此類特小流域的τ 很短，約1 ～2 h，洪水過(guò)程線總歷時(shí)Σt 多在10 ～15 h，將出現(xiàn)洪水過(guò)程線先于24 h暴雨結(jié)束的不合理現(xiàn)象，這與《手冊(cè)》采用的概化過(guò)程線有關(guān)，可對(duì)退水部分進(jìn)行適當(dāng)修正，但只要峰量得到控制，集中出現(xiàn)是偏于安全的，也可不用作延長(zhǎng)處理。

5 結(jié) 語(yǔ)

貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院根據(jù)《手冊(cè)》及其《修訂本》編制的暴雨洪水計(jì)算軟件，已在貴州省院、省水文水資源局、水科院，以及各地區(qū)(市、州)、縣得到推廣使用。本文在梳理《手冊(cè)》及其《修訂本》暴雨洪水計(jì)算原理的同時(shí)，對(duì)軟件處理情況也作了說(shuō)明，以期各地更合理地應(yīng)用《手冊(cè)》及軟件。

［1］貴州省水利廳.貴州省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)［S］.貴陽(yáng):貴州水利廳，1983.

［2］李斌，胡劍.小流域暴雨洪水計(jì)算方法的探討［J］.有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2004，25(04):1 －3.

［3］王繼輝. 貴州暴雨洪水計(jì)算綜述［J］. 貴州水力發(fā)電，2000，14(01):1 －6.