浅谈设计洪水的计算

 浅谈设计洪水的计算

　　摘要：在实际的工作中，设计洪水的推求直接影响到工程的规模，因此，取用合理的计算方法，推求设计洪水，对于合理确定工程的规模，节省工程投资有很大的帮助。本文根据笔者的工作经验，浅谈一下本地区设计洪水的计算方法，对于同类型的地区有一定的借鉴作用。

　　关键词：设计洪水；计算　

　　在水里工程规划设计中，确定工程规模所依据的洪水（洪峰、洪量或过程线）我们叫设计洪水。设计洪水推算过大，就会使工程造价增加很多，但工程的安全系数增大，反之，设计洪水过小，虽然工程造价会降低，但工程受到破坏的风险也加大。因此，合理分析计算设计洪水是解决工程规划设计中安全和经济矛盾的重要环节。

　　设计洪水可根据流量资料推求，但在实际的工作中，一般流量的资料较少，因此在本地区较少利用这种方法推求。本地区常用的方法是利用暴雨资料推求设计洪水。先根据当地的暴雨资料计算确定设计暴雨，再推求由它所形成的洪水即为设计洪水。

　　一、设计洪水计算方法

　　一般本地区计算的方法有：

　　1、广东省综合单位线法

　　此方法是通过对纳希瞬时单位线方法的深入分析，汲取国内外经验，结合广东省实际验算，提出了一套具有广东省特点的综合单位线方法。该方法产流分析采用初损后损法，汇流分析主要是应用线性系统识别的最小二乘法解算经验单位线，综合给出分区分类的以无因次单位线ui～xi表达的经验线型，并从设计条件出发，建立分区的集水区域特征参数θ与稳定的单位线滞时m1的关系。设计计算时，由工程集水区域特征参数θ按工程所在分区结合工程集水区域下垫面条件从m1～θ关系图上选定合适的m1值，并按工程集水面积确定适宜计算时段Δt，按所属分区分类典型无因次单位线ui～xi的K及Δt时段单位线的一阶原点矩计算tp，即可求出Δt时段单位线，根据设计净雨过程按一般单位线推流方法推求设计洪水过程线，同时求得设计洪峰流量。　

　　2、推理公式法

　　推理公式法是先求设计洪峰流量，再推求设计洪水过程线。

　　推理公式法设计洪峰流量的计算公式如下：　

　　式中：

　　Qm—设计洪峰流量（m3/s）；

　　h—在全面汇流时代表相应于τ时段的最大净雨，在部分汇流时代表单一洪峰的净雨（mm）；

　　F—集雨面积（km2）；

　　τ—流域汇流历时（h）；

　　m—汇流参数；

　　L—沿主河从出口断面至分水岭的最长距离（km）；

　　J—沿流程L的平均比降。

　　推求设计洪峰流量Qm的关键在于正确确定汇流参数m，m值偏大偏小直接导致Qm偏大偏小。

　　3、等流时线法

　　等流时线是在流域上勾绘的一组等值线，每条等值线上各点的水质点，将在一定时间同时到达出流断面。两条等流时线间的面积称为等流时面积，按顺序用、、、…表示，其汇流时间分别等于、、、…。

　　出流断面在时刻的流量是由第一块面积上本时段的净雨，第二块面积上前一时段的净雨，第三块面积上前二时段的净雨…合成的。公式如下：　

　　式中、、、…分别表示本时段、前一时段、前二时段…的净雨量。应用此式，可求出出流断面的流量过程线。

　　等流时线的演算方法首先在流域图上作出等流时线。一般的大中河流，坡面漫流时间比河槽汇流时间短得多，可以不计。只要根据河网的分布图及河道上水流速度，即可制作等流时线。设选定汇流速度为，时段长为，则就是两条等流时线之间的距离。然后取河网分布地图，在河道量出河长（自出流断面起算）为、、、…等等分点，用曲线连接这些分点就得到等流时线图。由于各支流都有各自的分水岭，所以等流时线与等流时面积都不一定连续。如果河道上下游或干支流汇流速度不同，可分别采用和。

　　勾绘等值线之后，再用求积仪量出各块等流时面积、、、…。又把降雨扣除损失，示得时段净雨量。净雨量的时段划分应与画等时线所取的时段长相等。有了这些数据，就可用公式（a）推求出流过程。

　　4、平均排除法

　　平均排除法的计算公式如下：

　　式中Ci—各地类的径流系数；

　　Ai—各地类的面积（km2）；

　　Hp—设计暴雨（mm）；

　　Ei——各地类的蒸发量（mm），本次未考虑；

　　hi—各地类滞蓄水深（mm），水田鱼塘按100mm；

　　W1—水闸自排排水量（m3），根据分析，当发生设计暴雨时不可能开闸排水，W1＝0；

　　T—排水时间，取T=22h。

　　5、广东省洪峰流量经验公式

　　小于10km2，可以用广东省洪峰流量经验公式：

　　Qp＝CpH24F0.84

　　式中：

　　Qp－洪峰流量（m3/s）

　　Cp－随设计暴雨频率不同而变化的系数，

　　P=10％时，Cp＝0.044（本地区）

　　H24－24小时设计暴雨（mm）

　　F－集雨面积(km2)　

　　二、各方法的比较　　

　　一般来说，推理公式法应用于山区河流比较准确，而广东省综合单位线法适用于集雨面积较小的流域，地形资料要求较少，属于概化性成果，与实际有一定的误差。由于推理公式法对降雨过程的变化没有充分考虑，主洪峰不论汇流时段的降雨变化如何，一概按照统一模式将过程概化为6点折腰多边形，其他时段概化为三角形，导致雨洪不甚对应；同时，主峰前后次峰的处理不相一致，与推理公式的汇流原理也不符合，主峰前的次峰出现在降雨时段之末，主峰后的次峰则出现在降雨时段开始后的汇流时段之末；推理公式中次峰的汇流时间与主峰汇流时间相同的处理方法与推理公式的基本原理假定也存在矛盾。广东省综合单位线方法的时段单位线是根据单位线滞时及给类典型无因次单位线推求，较能反映集水区域洪水特点；设计洪水过程根据设计净雨过程逐时段推求，能较好反映降雨过程的变化；洪峰流量和洪水过程线的推求也有机结合在一起。总体上广东省综合单位线方法优于推理公式法，因此在两种计算方法算出的洪峰流量成果进行协调后，原则上选取广东省综合单位线法计算成果。

　　等流时线法考虑了汇流速度，集雨面积形状，汇流线路距离等影响，比较符合实际，计算需要较详细的地形资料，通过实测降雨资料检验，比较符合实际，所有本文设计来水过程采用等流时线法成果。

　　径流系数法只能计算总的来水量，无法计算每个时段的来水过程，它是根据各类土地的存水不同，采用径流系数进行折减后，得出各类土地的产水量，再汇总形成总产水量。

　　广东省洪峰流量经验公式一般是小于10km2才可以用。

　　结合本地区的特点，再资料较详细时，可用等流时线法，但本地区大部分没有实测的暴雨洪水资料，属于无资料地区，其洪峰流量的计算主要参照《广东省暴雨参数等值线图》（2003年）和《广东省暴雨径流查算图表使用手册》（1991年）（以下简称《手册》两个文件。因此，常用广东省综合单位线法或推理公式法进行计算。计算时，首先由各历时点暴雨统计参数等值线图查算工程集水区域中心点的各历时点设计暴雨量，按暴雨定点定面关系换算为相应的面设计暴雨量，以同频率不同历时面雨量长包短控制按设计雨型求出设计暴雨的时程分配（即设计毛雨过程）；经产流计算得设计净雨过程，再通过广东省综合单位线法或推理公式法进行汇流计算，求得设计洪水过程线及洪水总量。

　　三.结语

　　在本地区已建的工程中，已经多次应用等流时线法和广东省综合单位线法或推理公式法进行计算，效果较为理想，对于合理确定工程的规模，节省工程投资有很大的帮助。本文根据笔者的工作经验，浅谈一下本地区设计洪水的计算方法，对于同类型的地区有一定的借鉴作用。但同时限于笔者水平和认识有限，还有很多方法未提及，需继续在工作中结合实践，进一步探求。