特小流域暴雨洪水计算研究概述

浙江省地区丘陵地形分布较广, 集雨面积为特小流域的情况普遍存在, 而针对特小流域的洪水计算方法研究, 对于小型水库、塘坝等小型水利工程的规划设计具有重要应用价值, 同时对于探索流域产流汇流机理也具有重要的理论意义. 简要概述了特小流域洪水计算的主要方法, 包括经验公式法、推理公式法、瞬时单位线法等, 同时对特小流域暴雨洪水计算的影响因素及特点进行了归纳总结.

特小流域暴雨洪水计算研究概述(吴婉玲 谢华伟 陈晓东)

摘要: 浙江省地区丘陵地形分布较广， 集雨面积为特小流域的情况普遍存在， 而针对特小流域的洪水计算方法研究， 对于小型水库、塘坝等小型水利工程的规划设计具有重要应用价值， 同时对于探索流域产流汇流机理也具有重要的理论意义. 简要概述了特小流域洪水计算的主要方法， 包括经验公式法、推理公式法、瞬时单位线法等， 同时对特小流域暴雨洪水计算的影响因素及特点进行了归纳总结.

关键词: 特小流域; 暴雨洪水; 概述

Research Overview of Storm Flood Calculation of Minibasin

WU Wanling，XIE Huawei，CHEN Xiaodong

Abstract:The hilly terrain is widely distributed in Zhejiang Province， and its catchment area is usually the type of minibasin. The research of minibasin- stormflood calculation is important for small reservoirs， pools， dams and other smallscalewater conservancy planning and design， and is same important for exploring the mechanism Runoff theoretical significance. A brief overview of the main methods about the characteristics of minibasinstormflood， including empirical formula， the rational formula， the instantaneous unit hydrograph method， and the effects and characteristics on

minibasinstormflood calculation are summarized.

Key words:minibasin; storm flood; overview

0 引言

特小流域暴雨洪水灾害是指由于受短历时暴雨的影响，洪水暴发所带来的灾害，主要表现为溪河洪水造成的国民经济和人民生命财产的损失. 其主要特点: (1) 季节性强.而浙江省的汛期在4~ 10月，其中梅汛期集中在4~ 6 月，台汛期集中在7~10 月，这段时期是我省暴雨洪水灾害的多发期. (2)区域性明显，突发性强. 浙江省山地丘陵众多，一旦遭遇短历时暴雨，极易形成水流湍急的地表径流，导致洪水暴发，造成灾害. (3) 来势凶猛，成灾快. 浙江省山丘地区山高坡陡，溪流密集，洪水汇流时间短，水位陡涨陡落，来势凶猛，往往短时间成灾. 四是破坏性强，危害大. 因此，特小流域暴雨洪水造成对自然环境的破坏，成为诱发、影响和加重地质灾害的重要因素，而对于浙江省众多特小流域内的山塘也存在潜在的威胁。

浙江省地区丘陵地形分布较广, 集雨面积为特小流域的情况普遍存在, 而针对特小流域的洪水计算方法研究, 对于小型水库、塘坝等小型水利工程的规划设计具有重要应用价值, 同时对于探索流域产流汇流机理也具有重要的理论意义. 简要概述了特小流域洪水计算的主要方法, 包括经验公式法、推理公式法、瞬时单位线法等, 同时对特小流域暴雨洪水计算的影响因素及特点进行了归纳总结.

据调查全省1~ 10 万m2 山塘的平均流域面积仅0. 4 km2， 绝大部分为少于5 km2 的特小流域，而在山塘及小流域治理实践中， 较为常用的是使用推理公式法来计算特小流域暴雨洪水，而浙江省推理公式应用[1] 从20 世纪60 年代开始沿用至今，而推理公式法在计算过程中需要考虑多方面因素，并且推理公式主要是针对中小流域设计，对于特小流域情况并无相应的改进，是否适合特小流域暴雨洪水有待商榷。比如在考虑降雨时程时， 均采用一个统一的暴雨衰减指数n 进行控制， 其精度相对于采用分段概化n 值进行暴雨时程分配的方案明显较低。而设计洪水分析的成果决定了山塘溢洪道的规模和坝高，其分析精度直接影响工程本身的安全和工程的造价。我省地形类别多样，下垫面状况复杂，降雨类型各具特色， 因此开展项目对特小流域的暴雨洪水特征、影响因素等进行研究，并提出针对特小流域状况的一些建议， 对于我省推理公式应用和改进是非常有必要的。

1 暴雨洪水计算方法

对于小流域暴雨洪水的研究，国外最早从1851年莫尔万希提出流域汇流时间概念和用暴雨径流成因公式计算洪水以来，国内外对小流域的研究至今己有一百多年的历史。研究方法主要有经验公式方法、推理公式法和概念性系统模拟办法等。

1.1 经验公式法

经验公式方法，主要依据暴雨径流实测资料，通过回归分析建立一些主要影响因素与洪水特征值( 如洪峰) 之间的经验关系方程，用经验方程计算设计洪水的方法[2]。因为经验公式的建立主要是资料数据的拟合，很少考虑物理机理，因而在应用上具有地区局限性。过去我省一些地方水利部门根据当地雨洪长期资料总结了地方性的经验性公式， 但其通用性较差难以大范围推广。因此，单纯的经验公式方法已逐渐被淘汰。

1.2 推理公式法

推理公式法， 又称“合理化”法，是最早根据暴雨资料间接推求小流域洪水的方法之一。 1956 年，水利科学研究院水文研究所提出以推理公式为基础的小汇水面积雨洪最大径流的图解分析法

[ 3- 7]。1958 年后， 随着中、小型水利工程建设的大规模开展， 各地在推理公式应用方面都取得并创造了不少有用的经验，特别是1962 年以后又提出从实测资料反求推理公式中的参数， 进一步丰富了推理公式的内容， 使推理公式在我国的应用水平又提高了一大步。 推理公式计算中涉及较多参数，参数的准确与否，直接影响计算精度。在推理公式法计算的各种参数中，暴雨衰减指数n不确定性大， 而且n值变化对设计结果影响也较大。暴雨过程是一个复杂的多维随即火车，

浙江省地区丘陵地形分布较广, 集雨面积为特小流域的情况普遍存在, 而针对特小流域的洪水计算方法研究, 对于小型水库、塘坝等小型水利工程的规划设计具有重要应用价值, 同时对于探索流域产流汇流机理也具有重要的理论意义. 简要概述了特小流域洪水计算的主要方法, 包括经验公式法、推理公式法、瞬时单位线法等, 同时对特小流域暴雨洪水计算的影响因素及特点进行了归纳总结.

年最大时段暴雨Xt ，p与暴雨历时t的暴雨公式属于经验相关关系， 忽略了不少影响因素， 因此， 公式中参数n 值不会是稳定不变的。20 世纪80 年代以后，随着自记雨量观测应用，到目前已经有20多年的资料系列，小流域暴雨设计的计算就可以直接利用时段资料，计算该设计流域的n值，可提高计算精度。因此，在当地自记降水资料允许的情况下，尽量采用实测降水资料直接计算参数，可避免设计暴雨的误差。

1984 年浙江省水利水电勘测设计院通过大量实测的暴雨洪水资料， 反求推理公式中的汇流参数， 并进行综合， 以提供设计条件下使用。 其一般形式为:

由于暴雨时空分布的变化，有时洪峰流量由全流域汇流而成，称为全面积汇流; 有时则是部分流域面积汇流所形成，称为部分面积汇流。

式中: h为相应于τ时段的最大净雨; hR 为单一洪峰的净雨。在小流域设计洪水计算过程中， 净雨历时tc 一般大于汇流时间τ，故以全面积汇流为主。在全面积汇流条件下，

式中: Hτ为τ时段内的设计暴雨; μ为损失强度， 浙江省一般取1. 0 mm/ h。

按下式计算

:

由上式， 可分别绘制Qm ~ t 及Qm ~τ关系线，运用图解法试算法即可求出Qm 及τ， 也可使用Excel 等自行编制程序运用迭代法进行求解。

运用水文概念模型进行设计洪水计算的方法是当前设计洪水计算的方向，主要用于中小集水

浙江省地区丘陵地形分布较广, 集雨面积为特小流域的情况普遍存在, 而针对特小流域的洪水计算方法研究, 对于小型水库、塘坝等小型水利工程的规划设计具有重要应用价值, 同时对于探索流域产流汇流机理也具有重要的理论意义. 简要概述了特小流域洪水计算的主要方法, 包括经验公式法、推理公式法、瞬时单位线法等, 同时对特小流域暴雨洪水计算的影响因素及特点进行了归纳总结.

面积。但对于特小流域研究不多，应用还很少。对于特小流域洪水计算，当前仍然沿用推理公式方法。在推理公式的研究和应用中，没有明确划分小流域和特小流域，只是对不同集水面积的流域选用不同的参数而己。1989 年，王维第等[ 8] 用水利科学研究院水文研究所的推理公式为基础研究了华东地区的特小流域设计洪水问题。补充了一些特小流域的资料使得推理公式得以应用于特小流域。而浙江省针对山塘本身水文资料缺少等情况， 归纳总结了相应的简化计算方法[ 9]，对于流域长度大于2 km的采用浙江省推理公式确定洪峰流量， 对流域长度小于2km则使用《浙江省山塘综合整治技术导则》中的简化方法计算洪峰流量。

2 特小流域暴雨洪水特点

2.1 特小流域暴雨特点

暴雨是小流域雨洪计算的基础，暴雨的时程分配和它的空间分布，影响着整个一场洪水过程的形成。在特小流域上，成峰暴雨强度在时程上的变化，异常灵敏地反映在洪水过程的峰形上。从众多的雨洪对应资料观察表明，由于流域面积小，雨峰洪峰呈现一一对应，雨停峰现是普遍现象。

暴雨特性是指暴雨的时间空间分布特性。从时间分布特性方面来看，由于特小流域汇流时间很短(通常短于1 h)，影响洪水形成的主要是雨峰附近的部分暴雨，而不是全部暴雨。因此特小流域上暴雨的时间分布影响主要是雨峰的降雨强度。再加以特小流域调蓄能力极为有限，因此，必须考虑暴雨的时程分配问题。

从暴雨空间分布特性来看，流域暴雨空间分布不均匀程度与集水面积有关一般随着集水面积的增加，暴雨空间分布耳均匀程度降低。当然对于一些中小暴雨，暴雨空间分布不均匀程度可能很高，对于大暴雨则较为均匀。当具有实测暴雨资料时，应用面积加权平均方法求得面雨量; 对于缺乏实测暴雨资料流域主要是进行设计洪水计算，即使暴雨分布不均匀，而流域下垫面也不均匀，洪水的产流汇流时间、大小取决于暴雨和下垫面综合特征，因此从实用角度考虑，近似认为特小流域暴雨分布均匀是合适的。实际上，目前对于小汇水面积暴雨洪水计算方法都普遍采用点雨量代替面雨量，如推理公式方法等。

2.2 特小流域洪水与下垫面关系

特小面积上的较大洪水，其峰形往往由强度大、历史短的暴雨所支配，一般多呈单瘦的尖峰型。对于中小洪水，则比较复杂，洪水过程除受短历时暴雨比例的控制而不同外，还受不同的下垫面条件作用而有所差别，峰形有时呈尖瘦型，有时呈矮胖型。

浙江省地区丘陵地形分布较广, 集雨面积为特小流域的情况普遍存在, 而针对特小流域的洪水计算方法研究, 对于小型水库、塘坝等小型水利工程的规划设计具有重要应用价值, 同时对于探索流域产流汇流机理也具有重要的理论意义. 简要概述了特小流域洪水计算的主要方法, 包括经验公式法、推理公式法、瞬时单位线法等, 同时对特小流域暴雨洪水计算的影响因素及特点进行了归纳总结.

在特小流域上，下垫面单一因子的作用比较突出。其中以土壤植被作用比较明显，主要是反映在流域汇流中坡面流所占的比重上，地表流和表层流的比重上，最终在洪水的退水过程中出现陡涨陡落或者陡涨缓落的差异。

由于特小流域对暴雨径流的调蓄能力有限，流域洪水过程对个流程单一因素的变化反映极为敏感， 特别是对流域下垫面因素非常敏感。 流域洪水过程是流域暴雨和下垫面的综合反应， 如不同流域的洪水过程的涨水和落水历时不同，洪峰模数也有显著差异等，王维新等分析了华东地区的暴雨洪水，将特小流域洪水过程划分为4 种类型:

(1) 陡涨陡落型

多见于坡度大、植被差、水土流失严重的流域。这种类型洪水模数较高，壤中流和地下水较少，地面径流其主导作用，径流过程与暴雨强度基本对应，雨停峰现。

(2) 陡涨陡落缓退型

多见于断层裂隙发育、碎屑砾石覆盖流域。壤中流占有相当大的比例。涨水段和洪峰受控于暴雨变化，退水段受控于壤中流，退水历时较长。

(3) 陡涨缓落型

多见于植被好、水田、塘坝分布广的流域。较好的植被、水田、塘坝等增强了流域的坡地调蓄能力，延长了地表径流历时。降低了地表径流的回落速度。

(4) 缓涨缓落型

多见于原始森林植被、土壤下渗能力极强流域。地下水和壤中流比例较高。流域暴雨洪水比较复杂，造成特小流域洪水过程的差异的原因是多方面的。有暴雨方面的，也有下垫面方面的; 有产流和水源方面的，也有汇流方面的。特小流域调蓄能力小，对各方面因素都比较敏感，因此研究特小流域洪水计算方法必须从暴雨、下垫面、产流(或暴雨损失)、水源成分和比例、流域地形地。

2.3 特小流域综合参数的特点

同时在对推理公式法的改进中利用大量的分析资料表明，特小流域较一般小流域的损失参数(相对要大，汇流参数m 相对要小，而洪水参数的变幅则要大。

浙江省地区丘陵地形分布较广, 集雨面积为特小流域的情况普遍存在, 而针对特小流域的洪水计算方法研究, 对于小型水库、塘坝等小型水利工程的规划设计具有重要应用价值, 同时对于探索流域产流汇流机理也具有重要的理论意义. 简要概述了特小流域洪水计算的主要方法, 包括经验公式法、推理公式法、瞬时单位线法等, 同时对特小流域暴雨洪水计算的影响因素及特点进行了归纳总结.

损失参数相对较大的原因: (1) 降雨在面上分布比较均匀，全流域供水条件充足，截留入渗量相对较大; (2) 河网切割较浅，受到地表滞流作用的表层流，可能有部分或大部分不能在出口断面以上回归河网，因而洪水径流相对较小。

汇流参数相对较小的原因，主要是坡面作用相对较大，河床质糙率相对也较大。

洪水过程是暴雨对流域下垫面作用的产物，在植被良好的南方湿润地区的特小面积上，坡地汇流的比重随之要增大，但其程度又往往随雨强大小而不同。当雨强小时，流域表面的树根草皮和疏松的耕作层以及大小不同的砾石间隙，延缓了坡地汇流时间，汇流速度明显减小，洪水过程变得矮胖，分析所得汇流参数m 变大，因而单站各次洪水之间，参数的变幅也较大。但是，在植被很差的北方干旱和半干旱地区的小流域上，由于暴雨强度大、历时短，笼罩面积小，面分布又很不均匀，往往形成局部面积的产流和汇流，洪水呈峰高量小的尖瘦型，中小洪水的汇流参数m 一般又较大。由此可见，在特小流域上，由于单一的下垫面作用增大，单站之间的洪水参数差别也就加大。举例来说，森林覆盖十分稠密的流域较北方植被覆盖稀少的半干旱小流域，其m值可能相差几倍。

从原则上讲，汇流面积越小，应用推理公示更能适应其概化条件，无论是暴雨的时空分布或流域汇流特性都是如此。而其他参数的综合，除应考虑流域面积大小的差异外，还需着重考虑下垫面不同分类因素的影响。 其中以土壤植被条件、坡地和河道特性、地区雨洪特点三者综合因子为主。

3 建议

浙江省小型山塘众多，特别集雨面积< 5 km2的特小流域，针对这些特小流域需要比较不同计算方式对特小流域暴雨洪水计算的适用程度。首先，一些地区已有的经验公式法由于简化程度较高，其计算精度较差，并且受不同地区地理因素影响其适用面较窄，难以在全省内推行统一的经验公式; 而传统的推理公式法相对繁琐，计算过程中需要查表的数据较多，对流域的基本资料要求较高，这导致计算过程中误差不断积累，如汇流参数m 取值范围较大，往往m 的取值变化对最终计算洪水流量的结果偏差影响较大， 故针对某一地区提出较为精确的汇流参数m 值是一种较为合理的改进推理公式的方法。 针对这些情况需要明确特小流域区别于中小流域的特点，在计算中考虑这些因素才能得到更好贴合实际的计算结果。综上所述，根据实际调查研究比较，针对特小流域计算中的问题提出几点注意事项及建议，主要归纳为以下几个方面:

(1) 面上暴雨的均匀性。 除短历时的小降雨外，在较长时间内的较大范围的降雨，5 km2 左右的特小流域较之大、中、小型流域， 特别是相对大、中型流域而言， 犹如是一个点， 则其降

浙江省地区丘陵地形分布较广, 集雨面积为特小流域的情况普遍存在, 而针对特小流域的洪水计算方法研究, 对于小型水库、塘坝等小型水利工程的规划设计具有重要应用价值, 同时对于探索流域产流汇流机理也具有重要的理论意义. 简要概述了特小流域洪水计算的主要方法, 包括经验公式法、推理公式法、瞬时单位线法等, 同时对特小流域暴雨洪水计算的影响因素及特点进行了归纳总结.

雨的时程分布和总量在这样一个点上来说，有着均匀性。从这个意义上来看，考虑有水文计算意义的暴雨，在5 km2 的范围内不大可能有太大的变化。

(2) 产流、汇流的同时性。在特小流域的范围内，土壤的前期含水量大致相同，再加上面上降雨的均匀性，则流域的远近地段，产流时间大致相同，汇流的起点时间也大致相同。

(3) 汇流的快速性。因为特小流域的面积小、流程短，往往表现出产流开始时，汇流即随之开始，并且从流域最远点至流域出口断面处需要的时间很短，也就是说汇流的时间比较短。

(4) 地面径流的主导性。除在流域范围内出现承压水出逸点的情况外，特小流域范围内土壤饱和水的蕴藏量非常有限，在汇流过程中， 地下水所占比重较小，对洪峰的影响较小。

(5) 汇流的非线性。 特小流域中，雨强对单位线的影响，单位线的分割和叠加不遵循线性叠加原则，比大、中、小型流域更为突出。 这既是因为特小流域产、汇流和造峰历时短， 又是因为特小流域造峰和地面径流的直接相关和近乎惟一。

(6) 特小流域坡地在流域汇流中起主要作用。特小流域河流较短，调蓄能力有限; 而坡地调蓄能力不随流域面积改变，因此坡地调蓄在整个流域汇流中作用相对较强。

参考文献:

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浙江省地区丘陵地形分布较广, 集雨面积为特小流域的情况普遍存在, 而针对特小流域的洪水计算方法研究, 对于小型水库、塘坝等小型水利工程的规划设计具有重要应用价值, 同时对于探索流域产流汇流机理也具有重要的理论意义. 简要概述了特小流域洪水计算的主要方法, 包括经验公式法、推理公式法、瞬时单位线法等, 同时对特小流域暴雨洪水计算的影响因素及特点进行了归纳总结.

07- 10] . http: / / info. tgnet . cn/ Det ail/ 200703081214317593- 1/ .

[9]浙江省水利学会农村水利专业委员会. 浙江省山塘综合整治技术导则[M/OL] . 2010- 08- 02[ 2010- 08- 12] . ht tp: / /wenku.baidu. com/ view/ 0785511c59eef8c75fbfb3e2. html.

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