水文小流域流量計(jì)算方法及應(yīng)用實(shí)踐探微

劉茜

（甘肅省酒泉水文水資源勘測(cè)局，甘肅　嘉峪關(guān) 735100）

水文小流域流量計(jì)算方法及應(yīng)用實(shí)踐探微

劉茜

（甘肅省酒泉水文水資源勘測(cè)局，甘肅嘉峪關(guān) 735100）

伴隨社會(huì)的不斷發(fā)展，使得對(duì)水文小流域流量計(jì)算的重視度越來越高，且其在實(shí)際生活之中的作用也越發(fā)重要。水文小流域流量計(jì)算方法對(duì)河流水文狀況的測(cè)算以及道橋建設(shè)的有關(guān)特征研究有重要意義。水文小流域流量因各自所處的地理環(huán)境和水域狀況存在差別，所以它的實(shí)際水文流量計(jì)算法也都將不同。其中，在進(jìn)行水文流量計(jì)算時(shí)，主要通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、徑流形成法等來對(duì)水文小流域流量開展計(jì)算與評(píng)測(cè)。首先著重分析了這兩種方法在運(yùn)用時(shí)的基本特征，然后結(jié)合以某小流域流量計(jì)算的應(yīng)用實(shí)踐，分析了計(jì)算方法的選擇和應(yīng)用過程。

水文小流域；計(jì)算方法；應(yīng)用實(shí)踐

在設(shè)計(jì)時(shí)，流量作為確定小河流水利項(xiàng)目的關(guān)鍵根據(jù)之一，通常道路沿線小溝河多數(shù)都是小流域類型，由于此類流域一般面積很小，且洪峰不易將其淹沒，洪水持續(xù)時(shí)間短，所以該小流域一般不存在水文檢測(cè)站，這對(duì)小河流的水利項(xiàng)目流量計(jì)算造成了困難，幾乎不存在任何觀測(cè)資料能夠供以查詢。當(dāng)前，對(duì)于國內(nèi)鐵路、公路，水利單位均已制訂出各河道相應(yīng)圖標(biāo)與計(jì)算公式，然而因我國地域十分遼闊，且河道補(bǔ)給種類復(fù)雜，河流流域較廣，所以流量計(jì)算難度依然較大，再者由于地區(qū)間也存在較大差別，因此，找出一種依據(jù)具體水文特征和適用于本地流域流量的計(jì)算方法，這對(duì)小橋設(shè)計(jì)與建設(shè)的科學(xué)有效開展具有重要價(jià)值。

1　水文小流域的流量計(jì)算方法分析

1.1徑流形成法運(yùn)用特點(diǎn)

1）徑流形成計(jì)算方法原理。徑流形成法是主要是根據(jù)暴雨資料來對(duì)小流域的洪水流量進(jìn)行測(cè)算的手法，是按照洪峰期流量和主要影響要素間的聯(lián)系而進(jìn)行構(gòu)建的。該法設(shè)定出口處斷面的最大流量值是在暴雨下流域內(nèi)通過匯流和產(chǎn)流等過程而產(chǎn)生。在徑流形成中，其匯流面積會(huì)隨著時(shí)間增長而均勻增大，所以可將流域中的匯流面積伴隨時(shí)間增長率（Af）簡(jiǎn)化成直線變化趨勢(shì)（如圖1所示），將暴雨強(qiáng)度隨降雨時(shí)間的關(guān)系曲線簡(jiǎn)化成矩形趨勢(shì)（如圖2所示），并且設(shè)定暴雨與降雨強(qiáng)度的分布情況在形成徑流過程之中整個(gè)流域內(nèi)保持均勻。此外，通過暴雨資料進(jìn)行流量測(cè)算時(shí)，都假設(shè)暴雨頻率與所產(chǎn)生洪峰流量的頻率一致。

圖1　匯流面積隨時(shí)間的變化關(guān)系圖

圖2　暴雨強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系圖

2）徑流形成法的主要影響因素。在徑流形成計(jì)算方法相關(guān)公式之中，設(shè)定主要的流量影響因素是由匯水區(qū)地理構(gòu)造參數(shù)所決定，如地表坑洼和起伏狀況，降雨?duì)顩r（這里包含暴雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)的時(shí)間），土壤類型與吸水性，地表植物覆蓋狀況，徑流和徑流大小，主溝河特點(diǎn)與粗糙度，以及水庫湖泊庫容量和調(diào)控蓄水能力等。

1.2數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算法運(yùn)用特點(diǎn)

1）數(shù)理統(tǒng)計(jì)法基本原理。水文小流域流量數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，主要是利用水文現(xiàn)象與特征非重復(fù)性與一次性等特性，以及各類水文因素產(chǎn)生偶然性數(shù)量值的變化特征，同時(shí)與概率論及相關(guān)的算法原理相結(jié)合，對(duì)某區(qū)域的水文狀況與水文資料記錄實(shí)施概率化統(tǒng)計(jì)過程，以此對(duì)該流域水文活動(dòng)規(guī)律性進(jìn)行推算，且以此作為對(duì)今后此流域水文現(xiàn)象預(yù)估和計(jì)算的重要指引。在具體運(yùn)用時(shí)，對(duì)數(shù)理統(tǒng)計(jì)法的運(yùn)用，不能只依據(jù)在某時(shí)間段內(nèi)測(cè)算的水文數(shù)據(jù)來作為解決全部水文問題的法則，而要按照水文具體狀況，將以往水文記錄資料來作計(jì)算工作的指導(dǎo)，通過物理成因的分析技術(shù)與問題處理方法來促使水文計(jì)算成果更滿足該地區(qū)流域水文情況的客觀要求。

2）數(shù)理統(tǒng)計(jì)法內(nèi)容分析。在用物理統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行水文流量計(jì)算時(shí)，隨機(jī)性事件、不可能性事件與必然性事件為計(jì)算過程中的主要統(tǒng)計(jì)內(nèi)容。必然性事件指的是在特定小流域內(nèi)，當(dāng)檢測(cè)人員多次針對(duì)水文小流域流量進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，在特定狀況下必然出現(xiàn)的某些水文現(xiàn)象。此類必然性事件的出現(xiàn)對(duì)把握該流域具體狀況以及水文流量計(jì)算有著很關(guān)鍵的指導(dǎo)價(jià)值。不可能性事件指在某特定水文狀況及水文條件下，不可能出現(xiàn)的事件。由于存在不可能性事件，這對(duì)消除某流域的一些水文問題并防止在流量計(jì)算中產(chǎn)生不必要錯(cuò)誤提供了條件。隨機(jī)性事件指的是在小流域水文現(xiàn)象之中，特定水文條件下有可能出現(xiàn)也有可能不出現(xiàn)的事件類型。

對(duì)水文事件而言，因水文資料十分復(fù)雜，且在事件資料收集中期限較長，數(shù)理統(tǒng)計(jì)法對(duì)一些存在特定水文規(guī)律以及有比較明顯規(guī)律性的水文小流域流量測(cè)算較為適用。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，如果實(shí)際測(cè)算的水文資料較為豐富，則流域水文現(xiàn)象的規(guī)律性也將更為顯著，其預(yù)測(cè)和統(tǒng)計(jì)的精確性也會(huì)更高。所以，水文流量測(cè)算者應(yīng)按照在具體測(cè)算時(shí)所擁有的水文資料來選用合理的流量計(jì)算法，進(jìn)而為有關(guān)水文數(shù)據(jù)的高效、準(zhǔn)確計(jì)算提供必要指引。

2　水文小流域應(yīng)用實(shí)踐分析

某水文小流域的特點(diǎn)：我國某地區(qū)的地形西北向偏高而東南向偏低，屬于低山丘型丘陵地區(qū)，氣候呈溫暖帶大陸季風(fēng)性氣候，較為溫和，季節(jié)性較為明顯，夏季時(shí)多為東南風(fēng)向，而冬季時(shí)多為西北風(fēng)向，風(fēng)速平均約為3m/s。每年溫度平均值為-14℃～14℃，一月溫度最低，該月溫度平均為-0.2℃～0.4℃，七月溫度最高，月均大約27℃，最低極端溫度-17℃，最高極端溫度40.5℃。降水量年均值在525.4～658.4mm之間，雨水主要集中于6～9月份，大約可占到全年總降水量的一半以上。

2.1流量計(jì)算方法的選擇及客觀條件研究

1）流量計(jì)算方法的選擇前提。因在道路沿線所跨越的溪流、溝、河等大多都是小流域類型，它們最大流量的產(chǎn)生大多是因暴雨的影響，并且一般來說流域的面積相對(duì)較小，且坡度較陡，匯流期限短，通常洪水會(huì)急落急漲，持續(xù)時(shí)間短，且泛濫的范圍很小，小流域內(nèi)洪水極少可以留下顯著痕跡，通常不致引發(fā)人們關(guān)注，所以很難采集到比較可靠的水文資料。針對(duì)該情況通過暴雨圖收集方法、面積比擬方法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法等計(jì)算方式很難準(zhǔn)確推算出流量，因此，采用徑流形成法可取的較好效果。

2）客觀條件研究。在進(jìn)行小流域流量計(jì)算時(shí)，有時(shí)會(huì)存在缺少地區(qū)水文資料的情況，缺乏資料系統(tǒng)整理與特定計(jì)算方式，同時(shí)也沒有長時(shí)期的中、大型河流觀察資料，它們的水文流量計(jì)算更加缺少定式，所以在水文小流域流量計(jì)算時(shí)存在一定的隨意性與困難性。

文中所述案例為低山丘陵地區(qū)或山前區(qū)，大部分溝壑都處于常年無水的情況，同時(shí)沿線小鎮(zhèn)幾乎不存在大的水文站，盡管有市縣級(jí)的水文觀測(cè)站，水文測(cè)算年限很短。此外，數(shù)百年以來此地都未出現(xiàn)過較大的洪水，根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查，大約在清朝同治年限出現(xiàn)過一次較大型的洪水，由于年代過于久遠(yuǎn)，其洪水痕跡難以尋覓，尤其是較小流域面積的溝河，更加缺少條件去補(bǔ)插流量的序列和延長水文流量的相關(guān)資料。在該情況之下，此次小流域流量計(jì)算使用了多類公式，如：

QP=C·S·F2/3；

或QP=0.278·Ψs/τn·F；

或QP=0.278·A5·B5·RP/to·F；

或徑流形成方法公式：QP=Φ（h-z）3/2·F4/5·β·γ·δ

通過對(duì)多類方法的各次嘗試計(jì)算和結(jié)果分析來看，選擇徑流形成方法進(jìn)行該項(xiàng)目水文小流域流量計(jì)算形式，對(duì)該地帶溝河設(shè)計(jì)流量進(jìn)行測(cè)算比較適用。

因此，按照徑流形成方法內(nèi)在要求，以及具體的客觀條件，對(duì)此段可選擇徑流形成方法進(jìn)行設(shè)計(jì)流量的測(cè)算。

2.2小流域流量測(cè)算徑流形成方法的相關(guān)公式

式中：

QP——當(dāng)頻率是P時(shí)對(duì)應(yīng)的洪峰流量值，單位為m3/s；

h——流域徑流的厚度，單位為mm，按照暴雨類別、土壤種類、頻率設(shè)計(jì)和匯流的時(shí)間，并通過查徑流厚度常用值表進(jìn)行確定。這里匯流時(shí)間t按照流域的面積F大小進(jìn)行確定：

當(dāng)F＜10km2時(shí)，t=30；

當(dāng)10＜F＜20km2時(shí)，t=45；

當(dāng)20＜F＜30km2時(shí)，t=60。

不同區(qū)域通常都會(huì)測(cè)有與該地區(qū)相適應(yīng)的徑流厚度值h，選擇各區(qū)域制定的流域徑流厚度則更加與具體狀況相近。

Z—被洼地或植物滯留的徑流厚度，單位為mm；按照地貌地形特點(diǎn)和植被狀況而定。

F—流域面積，單位為km2；

β—洪水傳播洪峰流量影響折減系數(shù)；按照流域地貌地形特點(diǎn)與長度而定。

γ—因流域中不均勻降水對(duì)洪峰流量的影響折減系數(shù)；按照匯流期間和不同區(qū)域流域的寬和長而定。

Φ—地貌系數(shù)；按照主河槽的平均坡度、流域面積和地貌地形特點(diǎn)而定。

δ—小水庫或湖泊調(diào)控作用洪峰流量的影響折減系數(shù)；按照流域中湖泊、水庫占據(jù)匯水面積比而定。

2.3算例分析

以該地區(qū)某小河溝為例開展分析和測(cè)算。該溝屬于U型自然性沖溝，其溝槽較窄，土壤是第四區(qū)Ⅱ級(jí)普通土類型，按照地質(zhì)勘探可知，該地層分別由青灰色卵石土（δ=600KPa）、褐色人工填土、淺灰灰白色的石灰?guī)r （δ=2000KPa）以及棕紅色亞粘土（δ=250KPa）等組成。橋上游部位流域面積控制為3.6km2，主溝槽的比降平均是61‰，長約3km。

公式：QP=Φ（h-z）3/2·F4/5·β·γ·δ

式中：

匯水面積?。篎=3.6km2；

取地貌：Φ=0.13；

取徑流的厚度：h=52；

取洼地或植被所滯留徑流的厚度：Z=6；

取洪水傳播洪水峰值流量折減系數(shù)：β=0.995；

取流域中因不均勻降水洪水峰值流量折減系數(shù)：γ=1.0；

取水庫或湖泊調(diào)控作用洪水峰值流量折減系數(shù)：δ=1.0；

因此，根據(jù)徑流形成法可得流量計(jì)算結(jié)果為：Q1%=0.13×（52-6）1.5×3.60.8×0.995×1.0×1.0=116.1（m3/s）。

2.4徑流形成法方的公式驗(yàn)證分析

采取交通部的推算公式進(jìn)行溝河設(shè)計(jì)流量計(jì)算的驗(yàn)證，驗(yàn)證公式是：

通過綜合研究此溝河流域的有關(guān)特性，可確定出推算公式參數(shù)包括：流域的面積F=3.6；當(dāng)設(shè)計(jì)頻率值為P（P=1%）時(shí)雨力Sp=100mm/h；暴雨的遞減系數(shù)為n=0.55；損失參數(shù)U=5.7mm/h；匯流時(shí)間為t=40/60h；驗(yàn)證公式計(jì)算結(jié)果為Q1%=119.4m3/s。通過結(jié)果研究：徑流形成方法的計(jì)算數(shù)據(jù)是 Q1%= 116.1m3/s，和驗(yàn)證數(shù)據(jù)間的誤差是：（119.4-116.1）/ 116.1=2.8%，誤差很小，符合設(shè)計(jì)需要。

3　結(jié)語

綜上可得，水文小流域的流量計(jì)算方法要按照某特定流域具體水文情況而定。在選用計(jì)算方式時(shí)，應(yīng)找出一種依據(jù)該地區(qū)的水文狀況實(shí)際特征以及科學(xué)適用的計(jì)算模式，這對(duì)小橋科學(xué)設(shè)計(jì)與建設(shè)有著至關(guān)重要的作用。水文條件不同，所適用的計(jì)算形式也將不同，這需要水文流量計(jì)算人員應(yīng)具有較好的素質(zhì)水平，筋而了解小流域流量的各種計(jì)算手法，從而為提高流量計(jì)算的準(zhǔn)確度奠定基礎(chǔ)。

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