水文小流域流量計算方法及應用實踐探微

劉茜

（甘肅省酒泉水文水資源勘測局，甘肅　嘉峪關 735100）

水文小流域流量計算方法及應用實踐探微

劉茜

（甘肅省酒泉水文水資源勘測局，甘肅嘉峪關 735100）

伴隨社會的不斷發展，使得對水文小流域流量計算的重視度越來越高，且其在實際生活之中的作用也越發重要。水文小流域流量計算方法對河流水文狀況的測算以及道橋建設的有關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境和水域狀況存在差別，所以它的實際水文流量計算法也都將不同。其中，在進行水文流量計算時，主要通過數理統計法、徑流形成法等來對水文小流域流量開展計算與評測。首先著重分析了這兩種方法在運用時的基本特征，然后結合以某小流域流量計算的應用實踐，分析了計算方法的選擇和應用過程。

水文小流域；計算方法；應用實踐

在設計時，流量作為確定小河流水利項目的關鍵根據之一，通常道路沿線小溝河多數都是小流域類型，由于此類流域一般面積很小，且洪峰不易將其淹沒，洪水持續時間短，所以該小流域一般不存在水文檢測站，這對小河流的水利項目流量計算造成了困難，幾乎不存在任何觀測資料能夠供以查詢。當前，對于國內鐵路、公路，水利單位均已制訂出各河道相應圖標與計算公式，然而因我國地域十分遼闊，且河道補給種類復雜，河流流域較廣，所以流量計算難度依然較大，再者由于地區間也存在較大差別，因此，找出一種依據具體水文特征和適用于本地流域流量的計算方法，這對小橋設計與建設的科學有效開展具有重要價值。

1　水文小流域的流量計算方法分析

1.1徑流形成法運用特點

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

圖1　匯流面積隨時間的變化關系圖

圖2　暴雨強度隨時間的變化關系圖

2）徑流形成法的主要影響因素。在徑流形成計算方法相關公式之中，設定主要的流量影響因素是由匯水區地理構造參數所決定，如地表坑洼和起伏狀況，降雨狀況（這里包含暴雨強度和降雨持續的時間），土壤類型與吸水性，地表植物覆蓋狀況，徑流和徑流大小，主溝河特點與粗糙度，以及水庫湖泊庫容量和調控蓄水能力等。

1.2數理統計計算法運用特點

1）數理統計法基本原理。水文小流域流量數理統計方法，主要是利用水文現象與特征非重復性與一次性等特性，以及各類水文因素產生偶然性數量值的變化特征，同時與概率論及相關的算法原理相結合，對某區域的水文狀況與水文資料記錄實施概率化統計過程，以此對該流域水文活動規律性進行推算，且以此作為對今后此流域水文現象預估和計算的重要指引。在具體運用時，對數理統計法的運用，不能只依據在某時間段內測算的水文數據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算工作的指導，通過物理成因的分析技術與問題處理方法來促使水文計算成果更滿足該地區流域水文情況的客觀要求。

2）數理統計法內容分析。在用物理統計法進行水文流量計算時，隨機性事件、不可能性事件與必然性事件為計算過程中的主要統計內容。必然性事件指的是在特定小流域內，當檢測人員多次針對水文小流域流量進行觀測時，在特定狀況下必然出現的某些水文現象。此類必然性事件的出現對把握該流域具體狀況以及水文流量計算有著很關鍵的指導價值。不可能性事件指在某特定水文狀況及水文條件下，不可能出現的事件。由于存在不可能性事件，這對消除某流域的一些水文問題并防止在流量計算中產生不必要錯誤提供了條件。隨機性事件指的是在小流域水文現象之中，特定水文條件下有可能出現也有可能不出現的事件類型。

對水文事件而言，因水文資料十分復雜，且在事件資料收集中期限較長，數理統計法對一些存在特定水文規律以及有比較明顯規律性的水文小流域流量測算較為適用。在實際計算時，如果實際測算的水文資料較為豐富，則流域水文現象的規律性也將更為顯著，其預測和統計的精確性也會更高。所以，水文流量測算者應按照在具體測算時所擁有的水文資料來選用合理的流量計算法，進而為有關水文數據的高效、準確計算提供必要指引。

2　水文小流域應用實踐分析

某水文小流域的特點：我國某地區的地形西北向偏高而東南向偏低，屬于低山丘型丘陵地區，氣候呈溫暖帶大陸季風性氣候，較為溫和，季節性較為明顯，夏季時多為東南風向，而冬季時多為西北風向，風速平均約為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流量計算方法的選擇及客觀條件研究

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

2）客觀條件研究。在進行小流域流量計算時，有時會存在缺少地區水文資料的情況，缺乏資料系統整理與特定計算方式，同時也沒有長時期的中、大型河流觀察資料，它們的水文流量計算更加缺少定式，所以在水文小流域流量計算時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或山前區，大部分溝壑都處于常年無水的情況，同時沿線小鎮幾乎不存在大的水文站，盡管有市縣級的水文觀測站，水文測算年限很短。此外，數百年以來此地都未出現過較大的洪水，根據數據調查，大約在清朝同治年限出現過一次較大型的洪水，由于年代過于久遠，其洪水痕跡難以尋覓，尤其是較小流域面積的溝河，更加缺少條件去補插流量的序列和延長水文流量的相關資料。在該情況之下，此次小流域流量計算使用了多類公式，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

通過對多類方法的各次嘗試計算和結果分析來看，選擇徑流形成方法進行該項目水文小流域流量計算形式，對該地帶溝河設計流量進行測算比較適用。

因此，按照徑流形成方法內在要求，以及具體的客觀條件，對此段可選擇徑流形成方法進行設計流量的測算。

2.2小流域流量測算徑流形成方法的相關公式

式中：

QP——當頻率是P時對應的洪峰流量值，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、頻率設計和匯流的時間，并通過查徑流厚度常用值表進行確定。這里匯流時間t按照流域的面積F大小進行確定：

當F＜10km2時，t=30；

當10＜F＜20km2時，t=45；

當20＜F＜30km2時，t=60。

不同區域通常都會測有與該地區相適應的徑流厚度值h，選擇各區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；按照流域地貌地形特點與長度而定。

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

Φ—地貌系數；按照主河槽的平均坡度、流域面積和地貌地形特點而定。

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

2.3算例分析

以該地區某小河溝為例開展分析和測算。該溝屬于U型自然性沖溝，其溝槽較窄，土壤是第四區Ⅱ級普通土類型，按照地質勘探可知，該地層分別由青灰色卵石土（δ=600KPa）、褐色人工填土、淺灰灰白色的石灰巖 （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：β=0.995；

取流域中因不均勻降水洪水峰值流量折減系數：γ=1.0；

取水庫或湖泊調控作用洪水峰值流量折減系數：δ=1.0；

因此，根據徑流形成法可得流量計算結果為：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證分析

采取交通部的推算公式進行溝河設計流量計算的驗證，驗證公式是：

通過綜合研究此溝河流域的有關特性，可確定出推算公式參數包括：流域的面積F=3.6；當設計頻率值為P（P=1%）時雨力Sp=100mm/h；暴雨的遞減系數為n=0.55；損失參數U=5.7mm/h；匯流時間為t=40/60h；驗證公式計算結果為Q1%=119.4m3/s。通過結果研究：徑流形成方法的計算數據是 Q1%= 116.1m3/s，和驗證數據間的誤差是：（119.4-116.1）/ 116.1=2.8%，誤差很小，符合設計需要。

3　結語

綜上可得，水文小流域的流量計算方法要按照某特定流域具體水文情況而定。在選用計算方式時，應找出一種依據該地區的水文狀況實際特征以及科學適用的計算模式，這對小橋科學設計與建設有著至關重要的作用。水文條件不同，所適用的計算形式也將不同，這需要水文流量計算人員應具有較好的素質水平，筋而了解小流域流量的各種計算手法，從而為提高流量計算的準確度奠定基礎。

［1］ 宋愛清，李強.小流域水文流量計算方法探討［J］.遼寧交通科技.2005（01）：33-37.

［2］ 張連河.西北某鐵路小流域水文分析與流量計算驗證［J］.甘肅科技.2012（06）：62-63.

［3］ 郭得平.小流域洪峰流量的計算方法之比較［J］.甘肅科技.2008（19）：52-54.

［4］ 蔣平.淺析小流域水文河道流量計算分析［J］.青年科學月刊.2014（08）：86-88.

P426.6