小流域水文流量计算方法探讨

摘要：随着社会的发展与进步，我们越来越重视小流域水文流量计算，小流域水文流量计算对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍小流域水文流量计算方法的有关内容。

关键词小流域；水文；流量；计算；方法；工程；

中图分类号： TV212.4 文献标识码： A 文章编号：

引言

水文分析计算是工程设计的第一步，其成果是决定工程规模、效果和投资的最关键因素，因此，对水文分析的资料引用、计算方法和参数定量等，均须予以充分的重视。目前全国各地水利部门根据历年实践经验和理论探讨, 制定了各种小流域流量计算公式和相应的图表。但由于我国幅员辽阔,将各地区划分到很小的范围也不大可能, 故各参数是简化了的概略值, 地区差异较大。所以寻找一种适合本地区的流量计算公式就显得尤为重要。

一、工程概况

某水库修建于上世纪 70 年代, 地处山区,枢纽工程由大坝、溢洪道、输水压力管、坝后电站组成, 均质土坝, 坝顶长 133 m, 集雨面积 98.87 km2,坝顶宽 5m, 最大坝高 44 5m, 正常运用洪水标准为50 年一遇, 非常运用洪水标准为1 000年一遇。在距大坝约 4 4 km 的上游有一小型水库, 地处山区, 均质土坝, 最大坝高22 3 m, 坝顶长134 m, 集雨面积2.63km2。正常运用洪水标准为 30 年一遇, 非常运用洪水标准为 300 年一遇。

二、水文计算

当对该水库进行水文计算时, 对于 P =2% 、P= 3.33% 的设计洪水而言, 设计洪水可由其自身集雨面积设计洪水迭加上游水库相应标准设计洪水调洪后下泄流量而得。对于 P= 0 1% 的设计洪水来说, 由于已超过上游水库的防洪标准, 必须考虑上游水库溃坝洪水的影响。

2.1上游水库溃坝水流计算

2.1.1基本方程

上游水库为均质土坝, 属逐渐溃坝类型, 但由于溃坝水流冲击力极强, 从决口开始到基本形成最终稳定断面时为止, 为时很短, 为安全计, 可考虑按瞬时溃坝处理。对于瞬时彻底溃坝的水流流态, 是一种非恒定的不连续波的运动, 满足如下方程:

涌波基本方程式:

式中 w 为溃坝洪水涌波波前速度; h1为涌波通过的上游某一断面时的水深; h2为溃坝下游某一断面的恒定流水深; Q1、Q2分别为涌波通过两个断面时的流量; v2为溃坝下游某一断面的恒定流水的速度( 与 h2相对应) 。

圣维南方程式:

(适用于一维非恒定流, 两库间河道坡度不大)

非恒定流, 两库间河道坡度不大)式中 Z、C 、R 分别表示水位、齐舍系数、水力半径;方程等号左边第一项为重力与压力的合力在水流方向的分力; 方程等号右边第一项为当地惯性力项; 方程等号右边第二项为对流惯性力项。

2.1.2溃坝最大流量的计算

由于按瞬时溃坝处理, 根据前述方程式及边界条件, 上游水库溃坝时坝址处最大流量 QM可由下式给出：

式中 B 为溃坝时沿坝前水面宽度或坝顶长度, m;H0为坝址上游水深, m; 为流量参数,

m 为河谷断面形状指数, 矩形、三角形、二次抛物线形、组合抛物线形分别为 1、2、1 5、3; v0为溃坝前河道平均流速, m s。

2.1.3坝址流量过程线的推求

经研究发现, 瞬时溃坝流量过程线与最大流量QM、溃坝前下泄流量 Q0及溃坝前可泄库容 W 有关, 其线形可概化为 4 次或 2 5 次抛物线—下凹曲线, 进而可推求坝址流量过程线。

2.2上游溃坝洪水传播时间及流量过程线溃坝洪水传播时间取决于诸多影响因素, 其近似解法有多种。这里仅给出试验求得的计算公式。

2.2.1溃坝洪水起涨时间的计算

式中 h0为溃坝洪水到达前下游计算断面的平均水深, 即与基流相应的平均水深, m; K2为与两库间河流特征有关的系数, 山区、半山区、平原河道分别取：

2.2.2洪水总历时

假定到达下库的溃坝洪水流量过程线的形状为三角形, 则洪水总历时 T ( s) 为

2.2.3 最大流量到达时间

最大流量到达时间 t2( s)

式中 K3为与河槽形状有关的系数, 山区、半山区、平原河道分别取 0 8、1 0、1 2; hm为最大流量 QLM进入下库的河道水深为m。

三、水文资料的收集和审查分析

（一）水文资料的收集

水文基本资料是水文计算的基础，关系到水文计算成果的质量和精度，水文计算成果的精度又直接影响工程经济效益指标的确定。因此，做好基本资料的收集和处理至关重要。收集水文资料时，首先应重点把握降水、蒸发、水位、流量、泥沙、冰情这些基本的水文、气象资料的收集和处理，其次是把握好气温、气压、日照和霜雪等资料的收集和处理。在设计中应说明水文资料测验、整编情况及复核成果。重点要说明资料的还原计算方法和资料精度的分析。

（二）水文资料的审查分析

在进行水文计算前，要对用以计算的水文资料进行审查分析, 特别是采用长系列水文资料进行计算时，要对资料的可靠性、一致性和代表性进行审查分析,审查过程中发现问题要及时对水文资料进行改正、还原和插补延长。插补延长一般是根据上下游、本流域、相邻流域或附近水文气象相似区域内资料情况，采用集水面积比、水位流量相关、降水径流相关、径流相关或其它检验论证的方法。在插补延长中，重点要把握好所采用的参证站与设计参证站的相应参数的相关关系是否达到设计要求的标准，实测和插补延长后的年径流系列是否符合规范的要求，流域面积比是否超过规定，两个流域是否在同一气候区。

四、常用水文计算分析方法中应注意的问题

（一）用暴雨资料推求设计洪水

在一些小流域，特别是偏远山区，往往缺乏实测资料，这时常常用到暴雨资料推求设计洪水;按照暴雨洪水的形成过程，推求设计洪水可分 3 步进行。推求设计暴雨：用频率分析法求不同历时指定频率的设计雨量及暴雨过程；推求设计净雨：设计暴雨扣除损失就是设计净雨；推求设计洪水：应用单位线法等对设计净雨进行汇流计算，即得流域出口断面的设计洪水过程。在用暴雨资料推求设计洪水的过程中还有几个特别容易出错的小问题：一是使用直线内插法时，应按频率内插，而不能按重现期内插（重现期是频率的倒数，是事件发生概率的一种形象的说法）。例如，已知 Cv=0.6，Cs=3.5Cv，查皮—Ⅲ型曲线 KP值表，求三年一遇（频率 P=33.333%）对应的 KP值。可以根据频率P=20%（KP=1.35）和 P=50%（KP=0.81）对应的 KP值内插求解，正确的结果为 1.11，而用重现期内插就会得到 0.99 的错误结果。二是山区小流域汇流洪峰按原农科院公式计算时，河道平均纵坡降计算应按公式

计算，而不能简单按公式 J=(Z-Zò)/L 计算；三是流域面积＜50km2时，面雨量可采用点雨量；流域面积一旦＞50km2，必须对点雨量折减才能得到面雨量，而不能直接采用点雨量；四是上游有控制性工程时，根据《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-2006）应使用“地区组成法”，而不再使用“扣除法”。两者相比可知，扣除法过于生硬，没有充分考虑到整个流域上洪峰叠加的复杂性。

（二）水文计算的误差

水文计算有别于数学计算主要在于前者具有原始数据的误差（原始误差）,两者相同之处在于都具有方法误差和运算误差,三类误差共同组成每一计算的总误差。水文计算应使总误差不超过安全余裕，才算合格,在以往的水文分析计算中经常忽视误差的存在，这就有可能造成不可估量的后果。由于三类误差性质各异，都要随具体情况而定，工程人员尤其是水文人员只有具体地分别估计或控制三类误差，才能正确地判断计算成果精度是否合格。

五、水文计算成果的合理性分析

在水文计算完成后，必须对成果的合理性进行分析，以选择最科学合理的成果。进行“纵向”、“横向”面上的分析比较，按照“一法为主、多法比较、综合分析、合理选用”的原则确定水文计算成果。要重视流域已有的各种规划报告和已审批文件中的成果，只有通过对洪水计算结果进行综合的、严密的分析，才能得到科学可靠的水文成果，才能保证后面工作的准确性。

结束语

通过水文水利计算来确定该坝的总库容、兴利库容、调洪库容，以便更好地发挥该坝效益，坝蓄水能力为6. 50 ×104m3。该坝所在村计划解决面积为100km2的旱田坐水种，所需水量为2. 3 ×104m3，供水能力可满足抗旱需要。因此，可兼顾发展养鱼、养鹅、增加效益。

参考文献

[1] SL 104_95, 水利工程水利计算规范[S] .

[2] SL 252_2000, 水利水电工程等级划分及洪水标准[S] .

[3] 武汉水利电力学院水力学教研室. 水力计算手册[K] . 北京: 水利出版社, 2010.

[4] 长江水利委员会, 南京水文水资源研究所. 水利水电工程设计洪水计算手册[K] . 北京: 水利电力出版社, 2005.

[5] 李 莉. 上游水库溃坝对下游水库的影响分析计算[J] . 水利科技与经济, 2005, ( 6) : 326- 328.

[6] 赵亚波. 张 帜. 溃坝洪水过程线探讨[ J] . 东北水利水电, 2006, ( 10) : 23- 24.