涟水上游小流域暴雨洪水计算方法的探讨

【摘要】在中小河流治理的规划与设计中，大多数治理工程区域内一般无实测洪水资料，因此设计洪水的推求与确定，成为规划设计中的主要任务与重点。本文针对涟水上游的地形地貌特点、水文特性，选择涟水上游区域（集水面积小于200km2）作为典型流域，对推求小流域的暴雨洪水计算方法进行分析比较，从而选择较为适合设计要求的洪水计算方法， 为工程设计提供可靠的技术支撑。

【关键词】涟水上游小流域；设计暴雨；设计洪水；方法比较

1、流域及水系概况

涟水是湖南湘江左岸的一条一级支流，发源于湖南省新邵县观音山西南麓，流经青龙桥、涟源市区、娄底市区、水府庙、洋潭、湘乡市区，于湘潭县湘河口注入湘江。涟水地势东低西南高，干流全长224km，平均坡降0.46‰，流域面积7155km2。流域内水系发达，支流众多，河长5km以上的各级支流148条。

涟水从新邵县观音山发源，流经涟源市财溪、三甲后入涟源市蓝田城区。涟水与支流新涟河在此交汇。交汇处以上集水面积156km2，河长27km，干流平均坡降3.3‰。涟水与新涟河交汇处的上游4km设有涟源水文站，控制流域面积为152km2。一般来说，我们把这以上河段称为涟水上游。

涟水上游属典型的丘陵地貌，位于湖南中部的衡邵丘陵干旱区之内。流域内植被较好，降水丰富，多年平均降水量在1350mm以上。

2、流域暴雨及洪水特性

涟水流域的洪水主要由流域内暴雨产生，流域内暴雨的时空分布不均匀，4-8月为雨季，常有大暴雨和连续暴雨发生。在统计年限内，最大一日暴雨发生在4-7月的占65%，尤以6月为主，占25%；大面积、长历时的暴雨都发生在4-6月之间。同时时段降雨存在长包短规律，一日暴雨包在三日暴雨中占58%，暴雨历时一般持续3-5天。涟水流域实测最大一日暴雨187.8mm（娄底1998年5月21日），3日暴雨225.8mm（娄底1998年5月21日-23日）。涟水流域洪水的时空变化特性与暴雨情况一致，洪水地区来源，大致可分为全流域、中上游和下游三种情况。

3、设计暴雨的确定

3.1 采用《湖南省暴雨洪水查处手册》方法确定设计暴雨

根据《湖南省暴雨洪水查算手册》（以下简称为手册），对以下参数进行确定：

3.1.1 涟水上游区域属湖南省暴雨分区的第七和第八区的交界处，即介于湘中北暴雨区和衡邵丘陵干旱区之间，一般采用暴雨第七区。

3.1.2 暴雨分区内相关参数确定

1）、最大24小时点雨量均值P均取105mm；

2）、Cv取0.40，Cs取3.5Cv，根据各设计频率，分别求得各Kp值，求出各设计频率（一般为50年、20年、10年一遇洪水标准）的24小时点暴雨；

3）、然后再根据面积～面降雨～α曲线，查图得α，可求出各频率的24小时面暴雨；

4）、按以下公式推求1～24小时各种历时的设计暴雨：

1～6小时用：Ht=H24·24n3-1· 6n2-n3·t1-n2 （a）

6～24小时用：Ht=H24·24n3-1·t1-n3 （b）

5）、求设计暴雨24小时净雨时程分配。

3.2 采用实测降雨资料推求的设计暴雨

3.2.1 分析流域内雨量站情况

涟水上游区域内有水文部门设立的涟源（二）、峡山桥、谢家、土硃、团家、长荣等6处雨量观测站，资料系列长、成果精度高、完全满足工程设计使用要求。

3.2.2 分析流域内的面雨量计算方法

单个雨量站观测到的降雨量，只代表该站附近小范围内的降水情况。在水文分析工作中，常需知道一个流域或地区在特定时段内的平均降水量。实用的计算方法主要有算术平均法、泰森多边形法和等雨量线图等方法。

经对以上雨量站的实测同步暴雨资料比较分析，发现涟源站单位时间的暴雨量比其他站点稍大，从偏安全考虑，直接选用涟源站的实测暴雨资料。因涟水上游流域内河流集雨面积小，用涟源站的点暴雨代替流域面暴雨是可行和安全的。

3.2.3 设计暴雨的频率计算

为此，我们对涟源站的实测最大1、3、6、12、24小时暴雨资料进行统计整理，采用据P-Ⅲ型曲线进行频率计算。

各时段暴雨频率分布曲线的配线过程在计算机上实现。其中，时段雨量平均值按矩法估计，Cv和Cs的初值按经验频率点据与P-Ⅲ型理论曲线绝对离差和最小为准则得出，然后通过目估适当调整确定。涟源站最大1、3、6、12、24小时雨量频率曲线见图3-1，参数取值及暴雨设计值（一般工程设计设计取P=2%、P=5%）见表3-1、图3-1。

3.3手册与实测值的计算结果分析比较及结论

经过上述计算，我们对采用的不同方法推求的设计暴雨成果进行分析比较，详见表3.2。

从上表中可以看出：短历时（1～3h）暴雨设计值要大于实测计算值，但误差范围在10%以内，6小时以上的设计暴雨值，二种方法推算的设计成果接近。这与涟水上游小流域的地形地貌、植被条件相吻合，符合降雨客观规律。

设计暴雨的手册查算值大于实测值的设计暴雨值，主要是CV取值不同造成的。

3.4 净雨过程的确定

计算流域产流量的方法常有降雨径流相关图法、初损后损法、流域产流模型法等。 通过用上述方式求得不同频率下的各时段设计值后，本应进行产汇流分析，求得不同情况下降雨～径流关系，以便推求流域设计洪水。鉴于资料有限，本次设计中予以省略，直接采用《湖南省暴雨洪水计算手册》中的初损法来推求设计净雨过程。

涟水上游流域位于湖南中部，属于湖南省暴雨区划的第七区。最大24小时概化时程分配表直接查《湖南省暴雨洪水计算手册》得出。又设计流域属湖南省产流分区的第二区，其降雨扣损I0=27.0mm，Ψ值为地表径流占总产流量的比例系数，查《湖南省暴雨洪水查算手册》表十一求得，选用0.75。

为了验证该流域的净雨过程，我们对涟源市蓝田区洪涝灾害较严重的历史暴雨进行分析，发现1995年6月的主雨期降雨有如下特点：降雨总量大，强度高，雨型恶劣，且降雨中心位于涟源市蓝田区周边地区和涟水上游区域，在现状及规划的流域工程条件下，降雨特性应最为接近设计暴雨的条件。因此，选择了涟源水文站1995年6月30日的降雨作为典型暴雨过程，按50年、20年一遇最大1、3、6、24小时雨量采用同频率法缩放至设计暴雨，计算过程及结果见表3-4。

3.5 两种方法的净雨过程比较

本次分析计算净雨过程用二种设计暴雨进行比较分析，以寻找更适合该区域小流域的净雨计算结果。

在计算净雨过程时，采用了同频率法和暴雨手册查读法两种方式进行试算，发现设计暴雨过程与典型暴雨的时程有错开现象，但降水峰顶相差不大。

4、设计洪水推求方法

小流域一般缺乏实测的水文资料，因此各省水利部门根据径流试验站（区）资料分析，推求出一套适合于本省小流域设计洪水的计算方法。目前国内使用最广的主要是：1、推理公式法；2、经验公式法；3、经验单位线法；4、瞬时单位线法等。

本次研究主要是通过以下方法------1、推理公式法；2、经验单位线法；3、瞬时单位线法分别计算各设计洪水，并做相应的比较分析，寻求最适合该区域的计算方法。

5、实例分析与比较

5.1 选取验证站的基本情况介绍

本次分析验证站为涟源水文站，属小河水文站，集水面积为152km2，从上至下有沫溪、沿田江、良溪注入，其集水面积分别为21.9km2、20.0km2、43.5km2。本文将用该站的实测资料对分析成果进行检验分析。

涟源水文站属城镇区域内小河，90年代时期沿河建筑物密布，河道内低矮河坝较多，洪水时期阻水现象严重。

涟源水文站上游流域内有水文部门建立的多处降水观测站，观测时间较长，大多在50年以上。各站资料每年都通过整编，资料精度高，数据可靠。本次分析采用的降水资料来源于此。

5.2 用不同方法计算的设计洪水成果统计

根据第4章介绍的计算方法，采用不同方法进行设计暴雨计算，然后拟用经验公式法、纳希单位线法与经验单位线法推求各频率设计洪水。具体成果见表5.1。

6、结论

6.1 从上表中可以看出：推理公式与经验单位线法结果较为接近，瞬时单位线法明显偏小。究其原因，可能是在推求设计洪水的集水面积上超过100km2，所以在m（流域汇流参数）、n（瞬时单位线的参数）的取值上容易产生偏差，而经验单位线法中的无因次单位线相对于该设计区域情况较为吻合。

6.2 1995年6月30日，涟源水文站发生了该站建站以来的最大洪水，其洪水水位为142.36m，实测洪峰流量为423m3/s。经省、市水文部门计算分析，该站这场洪水的频率计算约为P=3.3%左右，洪水重现期约为30年一遇。

从涟源水文站950630的实测洪水数据来看：实际洪水发生值小于推理公式法与经验单位线法计算的结果，大于瞬时单位线法结果。而后对发生洪水的河段的情况进行调查了解，发现该站下游4.5km处当时设有拦河坝，加之沿河建筑物密布，从而洪水受顶托影响，造成实测洪峰流量偏小。

6.3 经过分析，根据工程安全可靠的原则，在小流域（小于50km2）无资料河段设计工程洪水时，应采用多种方法计算比较，选择偏安全的洪峰流量作为设计依据，确保工程安全。在大于100km2的工程河段时，可选取当地参证水文站的实测资料，采用水文比拟法与暴雨洪水查算手册相结合的方法进行，从而降低设计风险，保证工程安全，最大限度地节约工程投资费用，达到较高的经济效益和社会效益。

6.4 由于资料收集原因，本次分析难免有不周之处，有待今后分析完善。

第一作者简介：彭丽，女，（1986，09），湖南娄底人，毕业河海大学，本科，助理工程师，主要从事水文监测工作。