劉冬梅,羅永強,郭應潔
(1. 貴州省水利水電勘測設計研究院,貴陽550002;2. 貴州東方世紀科技有限責任公司,貴陽550002)
貴州省水利廳1983年編制完成的《貴州省暴雨洪水計算實用手冊》(以下簡稱《手冊》),多年來在貴州省各個部門得到廣泛應用,對中小流域,特別是無實測洪水資料地區(qū)設計洪水的計算、復核發(fā)揮了重要作用,已成為全省中小流域無資料地區(qū)設計洪水計算的“實用手冊”。
1988年,原編制單位針對小匯水流域雨洪計算公式的計算成果存在的偏差,編制完成了“貴州省暴雨洪水計算實用手冊(修訂本)——小匯水流域部分”(以下簡稱《修訂本》),并經(jīng)貴州省水利廳審閱,已作為《手冊》補充計算方法廣泛應用[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算標準》研究報告,對《修訂本》中10≤F <25 km2條件下的洪峰流量計算公式進行了調(diào)整。根據(jù)《手冊》及《修訂本》的計算方法和原理將其編成軟件,并集成在《工程水文分析計算集成應用軟件PHAC》中,對《手冊》的應用起到一定的推動和標準化作用。
本文簡述《手冊》的計算原理及其應用,并根據(jù)多年實踐經(jīng)驗,針對應用中的一些問題提出處理意見,希望能對貴州省暴雨洪水計算及其發(fā)展有所裨益。
設計洪水由洪峰流量QP、洪量WP及洪水過程線Qi~t 三要素組成,《手冊》及《修訂本》對各要素的推導情況簡述如下:
《手冊》采用陳家琦《小流域暴雨洪水計算》推理公式法,兩個基本方程為:
聯(lián)解:代入?yún)?shù)n、β、a 和b,得:
1)當300≤F <1000 km2時:
2)當25≤F <300 km2,且θ >30 時:
3)當25≤F <300 km2,且θ ≤30 時:
4)當10≤F <25 km2時:
5)當1≤F <10 km2時:
以上洪峰流量計算公式中,字符的意義,詳見《手冊》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p -Ⅲ型頻率曲線適線,得統(tǒng)計參數(shù)由此得KP,并用確定最大24 h點雨量均值,當F <10 km2時,需要通過計算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》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,即可計算QP。因采用平均的暴雨衰減指數(shù)計算,最后需要對QP進行修正,利用n2、n3和τ,在《手冊》附表(13)查得換算系數(shù)Kh,則Qpn= KhQP。
由暴雨計算設計洪水,其設計洪量為時段洪量,是指某時段暴雨所產(chǎn)生的相應洪量?!妒謨浴凡捎脮r段為24 h,其設計洪量W 按24h 流域設計面雨量H24產(chǎn)生的相應徑流深h24計算,即W =0.1 h24F。
對于徑流深h24,可簡單理解為徑流系數(shù)C 與流域設計面雨量H24的積(CH24),但《手冊》的徑流系數(shù)C 指的是洪峰徑流系數(shù),表示在匯流時間τ 內(nèi),最大徑流深與最大降水量的比值(hτ/Hτ),由于匯流時間τ 內(nèi)的降雨強度>24 h的降雨強度,故其洪峰徑流系數(shù)也>24 h的徑流系數(shù),由此計算的洪量偏大。
《手冊》采用扣損法計算徑流深h24,即設計面雨量H24在τ 時段內(nèi)扣除穩(wěn)定雨損Hs,τ ~24h 時段扣除附加雨損(其中:則h24= H24-(Hs+ △Hs)。以《手冊》松柏山水庫算例P =0.1% 降雨為例,CH24=198 mm,而h24=189 mm,前者大4.8%。
《手冊》的洪水過程線,為20個節(jié)點的概化單峰型洪水過程線,表示1 次降雨(24 h)產(chǎn)生的1 次洪水過程。在匯流分區(qū)的基礎上,按洪水形狀系數(shù)σ全省分為三級(σ =0.30,0.25及0.20)進行地區(qū)綜合,成果見《手冊》附表(15)。
洪水過程線計算時,在計算出QP的基礎上,利用下式計算τ:
按《手冊》,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。
應用時,在計算出h24和hτ的基礎上,由匯流分區(qū)在《手冊》附表(15)選定概化洪水過程及a0,計算退水放大比例系數(shù)K,因Tm= τ,可求出洪水過程線,時間為t = [t/Tm]× τ,洪峰出現(xiàn)時間為tQm,退水部分t = tQm+[t/(Tm)× τ - tQm× K](說明手冊原計算式有誤,按王繼輝教授的意見修改),流量為Qt[Qt/Qm]×Qp,其中的[t/Tm]、[Qt/Qm]為概化洪水過程線坐標值。
從《手冊》及其《修訂本》的計算原理和方法可見,應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的計算公式;根據(jù)設計流域特性和地理位置,選擇匯流參數(shù)γ 的分區(qū)和大暴雨時面深分區(qū),然后是大量的查表和繁瑣的計算。因此,將其電算化十分必要,為此,貴州省水利水電勘測設計研究院根據(jù)《手冊》編制了暴雨洪水計算軟件,軟件輸入簡便、界面實用、成果規(guī)范、準確。
軟件按照輸入?yún)?shù),自動選用洪峰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γ 和C 做適當調(diào)整,即可得到不同設計頻率的洪水過程線圖表。
軟件提供了15個固定設計頻率及1個任意頻率的中間計算參數(shù)成果表,以及用戶自選設計頻率的洪水過程線圖表,輸出成果規(guī)范,數(shù)據(jù)準確。
由表1 可見,電算值與《手冊》數(shù)據(jù)的誤差均在1%以內(nèi),因《手冊》所列算例對過程線退水部分進行峰后降雨修正計算有誤,使其過程線總量W 比設計洪量Wh24偏大,軟件對此進行了處理,因此二者差別很小。
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%,應只計算明流區(qū)產(chǎn)生的洪水,閉流區(qū)洪水采用調(diào)查、實測等方法確定,然后疊加形成總的洪水;河長L 指從分水嶺到出口斷面的主河道長度,地形圖上分水嶺一帶一般無河流線,可沿地形低洼處延長河流線;比降J 指沿河長L 縱斷面的加權坡降,不能簡單以總落差除河長L 求得,其計算公式為:
《手冊》將全省劃分為Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3共5個匯流參數(shù)分區(qū),匯流參數(shù)γ 從小到大為Ⅰ2、Ⅱ3、Ⅰ1、Ⅱ2、Ⅱ1,以設計流域的地形、巖溶、植被狀態(tài)為主來選擇分區(qū),《手冊》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)作為設計流域分區(qū)時,建議做充分的論述,以免洪水過于偏小或偏大。
《手冊》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 值很關鍵,要慎重。
匯流參數(shù)分區(qū)確定后,產(chǎn)流分區(qū)相應得到確定,在《手冊》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,在軟件計算時,劃分為9個查值系列,以適應不同的產(chǎn)流情況。
根據(jù)流域面積F 和流域的幾何特征值θ,《手冊》及《修訂本》將洪峰流量計算公式分為5個級別,3個分界點,適用范圍為1≤F <1 000 km2。以《手冊》松柏山水庫數(shù)據(jù)為基礎(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,計算分界點的洪峰流量見表2(表中流域幾何特征參數(shù)為假定值)。
表1 松柏山水庫算例數(shù)據(jù)比較
表2 計算分界點的洪峰流量
在分界點300 km2處,可用《手冊》3 -5 -3 式、3-5 -2 式(θ >30),和《修訂本》修訂1 式(θ ≤30)計算,《手冊》的兩個公式相差0.21%,修訂1 式略大4.17%。
在分界點25 km2處,可用《手冊》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10 km2處,可用修訂2 式,特24 h式和修訂3 式計算,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》3 -5 -2 式計算,參數(shù)(γ 和C)應偏大取值;在10 <F ≤25 km2范圍,采用特24 h式計算,靠近25 km2時參數(shù)略取小值,靠近10 km2時參數(shù)偏大取值;在靠近F <10 km2采用修訂3 式計算時,參數(shù)略取小值。如圖1 所示。
圖1 分界點參數(shù)取值趨勢線圖
對于設計洪量,《手冊》按24 h雨量的徑流深h24計算,即W = 0.1 h24F。設計流域的某一設計頻率P 的洪水,當洪峰徑流系數(shù)C 增加,將導致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)與洪水過程徑流系數(shù)不同的概念。
由于《手冊》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,導致徑流系數(shù)C 減小,因此,有時會出現(xiàn)h24<hτ的不合理情況,《手冊》認為此時“計算流域的匯流特性已超出使用范圍,不宜應用”。
基于此,在軟件計算中,若遇到h24<hτ時,采用hτ計算設計洪量,這與《手冊》第35 頁談到用h24和hτ兩種方法計算洪量的思路是一致的。
《手冊》洪水過程線通過概化過程線坐標點計算,其峰現(xiàn)時間tm和總歷時Σt 由矩化歷時Tm控制,因為取Tm= 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,過程線越短,從而導致不同頻率的過程線末端出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。
與其他常用的暴雨洪水計算方法比較,“一院兩所法”的洪水過程線,也是大洪水的洪峰先出現(xiàn),但總歷時Σt 更長;而單位線法、水科院推理公式5 點概化線法,各頻率的洪峰歷時、過程線總長相同。
軟件計算中,在遵循《手冊》的前提下,做了如下局部調(diào)整:
1)對退水段做微小修正,使由洪水過程線計算的洪量等于設計洪量。
2)將各頻率的洪水過程線結束點統(tǒng)一,以避免末端出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。
3)提供一個比較方案,即將洪峰歷時統(tǒng)一,因為按照“實測典型洪水過程線放大”法,其洪峰歷時tm、過程線總歷時Σt 是一樣的,這種處理與單位線法、水科院推理公式5 點概化線法類似,但與《手冊》不一致,僅供比較。
當流域面積<10 km2時,需要計算最大1h 暴雨統(tǒng)計參數(shù),以便采用修訂3 式計算洪峰流量,同時也要計算最大24 h暴雨統(tǒng)計參數(shù),以計算洪量。
此類特小流域的τ 很短,約1 ~2 h,洪水過程線總歷時Σt 多在10 ~15 h,將出現(xiàn)洪水過程線先于24 h暴雨結束的不合理現(xiàn)象,這與《手冊》采用的概化過程線有關,可對退水部分進行適當修正,但只要峰量得到控制,集中出現(xiàn)是偏于安全的,也可不用作延長處理。
貴州省水利水電勘測設計研究院根據(jù)《手冊》及其《修訂本》編制的暴雨洪水計算軟件,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》及其《修訂本》暴雨洪水計算原理的同時,對軟件處理情況也作了說明,以期各地更合理地應用《手冊》及軟件。
[1]貴州省水利廳.貴州省暴雨洪水計算實用手冊[S].貴陽:貴州水利廳,1983.
[2]李斌,胡劍.小流域暴雨洪水計算方法的探討[J].有色冶金設計與研究,2004,25(04):1 -3.
[3]王繼輝. 貴州暴雨洪水計算綜述[J]. 貴州水力發(fā)電,2000,14(01):1 -6.