CN106971013A

CN106971013A - 山洪灾害小流域设计暴雨洪水计算方法

Info

Publication number: CN106971013A
Application number: CN201610021992.5A
Authority: CN
Inventors: 梁凤国; 顾燕平; 孙玉华; 冯琳; 丁阳; 高世斌; 徐敏; 赵锡钢; 郭纯; 郭纯一; 许晓艳; 梁冰; 刘和平; 金鑫; 叶天舒
Original assignee: LIAONING PROVINCIAL HYDROLOGICAL BUREAU
Current assignee: LIAONING PROVINCIAL HYDROLOGICAL BUREAU
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2016-01-13
Publication date: 2017-07-21

Abstract

本发明涉及山洪灾害小流域设计暴雨洪水计算方法，包括以下步骤：1)计算代表站的汇流时间τ历时设计面雨量；2)将τ历时设计面雨量进行暴雨时程分配得到时段长为1小时的设计雨型；3)将该设计雨型代入设计洪水模型得到设计暴雨洪水，并通过区域综合选择设计洪水模型；4)根据该设计洪水模型得到该区域其它小流域设计暴雨洪水。本发明暴雨衰减指数参数改进，使设计暴雨计算方法适用于小流域；区域综合为区域其它小流域确定了计算方法；现实校正确保了计算成果的准确性。

Description

山洪灾害小流域设计暴雨洪水计算方法

技术领域

本发明涉及一种设计暴雨洪水的计算方法，具体说是一种面向山洪灾害小流域的设计暴雨洪水计算方法。

背景技术

山洪灾害调查评价工作是实现山洪防御工作准确预报预警、安全转移、减少人员伤亡的重要保障和基础支撑。山洪灾害调查评价包括山洪灾害调查和山洪灾害分析评价。而在山洪灾害分析评价中主要包括设计暴雨洪水计算和分析评价，设计暴雨洪水计算是分析评价防治区沿河村落的防洪现状，科学划分山洪灾害危险区，科学确定预警指标和阈值，为及时准确发布预警信息、安全转移人员提供的重要支撑。

小流域地形类别多样，下垫面状况复杂，降雨类型各具特色，因此开展项目对小流域的暴雨洪水特征等进行研究，并提出针对特小流域设计暴雨洪水计算方法的应用和改进是非常有必要的。

小流域暴雨洪水计算问题，特别是无资料地区小流域设计暴雨洪水计算，一直是国内外水学科专家在不断探索和研究的课题。辽宁省较为常用的是使用推理公式法来计算小流域暴雨洪水，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(300～1000km²)设计，对于小流域(<300km²)情况并无相应的改进，是否适合特小流域暴雨洪水有待检验。

发明内容

针对上述技术不足，本发明的目的提供一种面向山洪灾害小流域的设计暴雨洪水计算方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：山洪灾害小流域设计暴雨洪水计算方法，包括以下步骤：

1)计算代表站的汇流时间τ历时设计面雨量；

2)将τ历时设计面雨量进行暴雨时程分配得到时段长为1小时的设计雨型；

3)将该设计雨型代入设计洪水模型得到设计暴雨洪水，并通过区域综合选择设计洪水模型；

4)根据该设计洪水模型得到该区域其它小流域设计暴雨洪水。

所述计算代表站的汇流时间τ历时设计面雨量通过以下公式得到：

τ≤1小时，

1<τ≤6小时，

6<τ≤24小时，

式中：τ为汇流历时，P_τp为τ历时设计面雨量，P_1P、P_24P分别为1h、24h设计暴雨量，n_0p、n_1p、n_2p为暴雨衰减指数；0<n_0p、n_1p、n_2p<1。

所述将τ历时设计面雨量进行暴雨时程分配得到时段长为1小时的设计雨型包括以下步骤：

根据代表站历史数据确定时段长为1小时的设计雨型；

根据设计雨型和τ历时设计面雨量确定τ历时的时段长为1小时的设计雨型。

所述根据设计雨型和τ历时设计面雨量确定τ历时的时段长为1小时的设计雨型包括以下步骤：

选取设计雨型中降雨排位最大值为查询起点,汇流历时为选择个数m,选择包含该最大值的m个降雨排位对应的降雨量；

然后根据m个降雨排位各时段所对应的降雨量确定每个时段占汇流历时降雨量的百分比；

将τ历时设计面雨量分别与各百分比相乘，得到代表站τ历时的时段长为1小时的设计雨型。

所述设计洪水模型包括：新安江三水源模型、TOPMODEL模型、推理公式辽宁法、小流域降雨径流法。

所述通过区域综合选择设计洪水模型具体为：将每个设计洪水模型得到的设计暴雨洪水取平均值，与该平均值最近的模型为该区域其它小流域的设计洪水模型。

所述通过区域综合选择设计洪水模型后，进行现实校正。

所述现实校正具体为：将该设计洪水模型得到的设计暴雨洪水与实测值比较；若误差小于阈值，则该设计洪水模型为该区域其它小流域的设计洪水模型；否则，校正设计洪水模型内的参数，返回步骤3)，直到误差小于阈值为止。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明暴雨衰减指数参数改进，使设计暴雨计算方法适用于小流域。

2.本发明设计洪水区域综合为区域其它小流域确定了计算方法。

3.本发明设计洪水现实校正确保了计算成果的准确性。

4.本发明能够根据现有代表站的历史数据对于无资料地区小流域进行设计暴雨洪水计算，有利于科学划分山洪灾害危险区，科学确定预警指标和阈值，为及时准确发布预警信息、安全转移人员提供的重要支撑。

附图说明

图1是本发明的暴雨衰减指数改进图；

图2是降水量加流域蓄水量与径流深关系图；

图3是径流深与洪峰流量关系线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

1.设计暴雨计算方法描述：

采用《辽宁省中小河流(无资料地区)设计暴雨洪水计算方法》进行计算典型历时设计面暴雨计算公式如下：

式中：P_P面为设计面暴雨(mm)，K_P为皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数，K_F为点面折算系数，为暴雨均值(mm)。将P_P面代入下式中的P_1P、P_24P。

汇流时间τ历时面雨量计算公式如下：

τ≤1小时，

1<τ≤6小时，

6<τ≤24小时，

式中：τ为汇流历时(h)，p_τp为τ历时设计暴雨量(mm)，P_1P、P_24P分别为1h、24h设计暴雨量(mm)，n_0p、n_1p、n_2p为暴雨衰减指数。

(1)参数改进：暴雨衰减指数n_0p、n_1p、n_2p的改进，改进后的参数适用于小流域及特小流域。0<n_0p、n_1p、n_2p<1。如图1所示。

(2)暴雨时程分配：现有的设计雨型时段长为3小时，历时达14个时段(42小时)，远超过了山洪灾害分析评价所针对小流域的汇流时间τ(时间长多在1－3小时)，满足不了山洪灾害分析评价的需要。所以，选取地区典型降雨场次资料分析确定12个时段长为1小时的设计雨型，见表1。

表1抚顺市清原县暴雨时程分配表

时段(h)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													降雨排位	Ⅺ	Ⅷ	Ⅵ	Ⅴ	Ⅻ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅶ	Ⅸ	Ⅰ	Ⅳ	Ⅹ
降雨量(mm)	10	12.2	24.3	27.1	6.8	74.6	60.3	21	11.2	96.5	52.8	10.3

例如：抚顺市清原县代表站海阳河小流域(流域面积190km²)汇流历时约为6小时，根据表1的历史数据,选取表1中的降雨排位最大值为查询起点,汇流历时(如6小时)为选择个数,尽可能以该值为中心,选择包含该最大值的6个连续降雨排位所对应的降雨量。然后根据各时段对应的降雨量确定每个时段占汇流历时降雨量的百分比。

将汇流历时设计面暴雨量为152mm分别与各百分比相乘，得到海阳河小流域的τ历时设计面雨量时程分配表，如表2：

表2海阳河小流域暴雨时程分配表

时段	1	2	3	4	5	6	场次
								典型(mm)	60.3	21	11.2	96.5	52.8	10.3	252.1
百分比(％)	23.9	8.3	4.4	38.3	20.9	4.1	100
								时程分配(mm)	36.4	12.7	6.8	58.2	31.8	6.2	152

将暴雨时程分配代入下面的新安江三水源模型和TOPMODEL模型。

2.设计洪水计算方法描述

1)多模型：

(1)新安江三水源模型：为现有模型，根据暴雨时程分配得到设计暴雨洪水。其中，设置流域平均蓄水容量WM(90mm≤WM≤130mm)；流域蒸散发折算系数K(0.7≤K≤1.1)；流域蓄水容量曲线的方次B(0.15≤B≤0.4)，流域平均表层土自由水蓄水容量SM(20≤SM≤80)；河网蓄水消退系数CS(CS<1)。

(2)TOPMODEL模型：为现有模型，根据暴雨时程分配得到设计暴雨洪水。其中，设置植被根系区最大蓄水容量S_rmax(0.01m≤S_rmax≤0.03m)；非饱和区最大蓄水容量S_zm(0.01m≤S_zm≤0.1m)；土壤刚达到饱和时导水率的自然对数的流域均值T₀(5≤T₀≤10)。

(3)推理公式辽宁法

为现有模型，根据设计暴雨得到设计洪水。其中，设置径流系数流域上层蓄水量W_0上值5月1日取0。

在进行山洪灾害分析评价，进行设计洪水和汇流时间计算时，大部分小流域缺乏长系列实测资料，在资料短缺的情况下，要利用与洪水有关的因素来间接推求设计洪水，建立洪水要素与影响因素间关系并确定相关参数数值。

洪水主要受降雨影响，因此以暴雨资料作为推算洪水方法中的主要参数，在这种情况下，以暴雨的设计频率作为设计洪水的频率。

推理公式辽宁法计算公式如下：

式中：Q_p为洪峰流量；为设计洪峰径流系数；i_p为设计面暴雨强度；F为集水面积。

(4)小流域降雨径流法

为现有模型，根据设计暴雨及得到设计暴雨洪水。其中，设置流域蓄水容量W_m(90mm≤W_m≤130mm)；流域上层蓄水量W_0上值5月1日取0。

根据降水量和流量资料系列，建立降水量加流域蓄水量(P+P_a)与径流深(R)关系图(如图2所示)，同时建立径流深(R)与洪峰流量(Q_m)关系线(如图3所示)。流域蓄水量从5月1日开始分上、下层两层计算。

2)区域综合

基于设计暴雨及时程分配成果，应用新安江三水源模型、TOPMODEL模型、推理公式辽宁法以及小流域降雨径流法，分别计算设计暴雨洪水，通过分析对比多模型计算成果，选择适合区域特点的设计洪水计算模型。

具体为：将每个模型得到的设计暴雨洪水取平均值，与该平均值最接近的模型为适合区域其它小流域的设计洪水模型。

3)现实校正

选择2010年以来发生的典型场次山区暴雨洪水，如2012年“8·04”鞍山市岫岩县哨子河小流域、营口市大石桥市大清河小流域、辽阳市辽阳县二道河子小流域暴雨洪水；2013年“8·16”抚顺市清原县海阳河小流域暴雨洪水，通过暴雨洪水实测成果或暴雨洪水调查成果，若误差超过阈值(10％)[误差＝(设计暴雨洪水-实测值)/实测值]，则对设计洪水模型内的相关参数进行修正，并校正多模型分析计算成果。

例如：通过区域综合，选择新安江三水源模型作为抚顺清原小流域计算模型，计算500年一遇的洪峰流量为1730m³/s，2013年“8·16”海阳河小流域调查洪峰流量为2050m³/s，经考证为500年一遇，误差为(1730-2050)/2050＝15.6％，超过了阈值10％。通过调整参数，减小流域平均表层土自由水蓄水容量SM值，使设计洪水误差在阈值之内。

Claims

1.山洪灾害小流域设计暴雨洪水计算方法，其特征在于包括以下步骤：

1)计算代表站的汇流时间τ历时设计面雨量；

2.根据权利要求1所述的山洪灾害小流域设计暴雨洪水计算方法，其特征在于所述计算代表站的汇流时间τ历时设计面雨量通过以下公式得到：

τ≤1小时，

P_{τ p} = P_{1 p} \times τ^{1 - n_{0 p}}

1<τ≤6小时，

P_{τ p} = P_{24 p} \times 24^{n_{2 p} - 1} \times 6^{n_{1 p} - n_{2 p}} \times τ^{1 - n_{1 p}}

6<τ≤24小时，

P_{τ p} = P_{24 p} \times 24^{n_{2 p} - 1} \times τ^{1 - n_{1 p}}

3.根据权利要求1所述的山洪灾害小流域设计暴雨洪水计算方法，其特征在于所述将τ历时设计面雨量进行暴雨时程分配得到时段长为1小时的设计雨型包括以下步骤：

根据代表站历史数据确定时段长为1小时的设计雨型；

4.根据权利要求3所述的山洪灾害小流域设计暴雨洪水计算方法，其特征在于所述根据设计雨型和τ历时设计面雨量确定τ历时的时段长为1小时的设计雨型包括以下步骤：

5.根据权利要求1所述的山洪灾害小流域设计暴雨洪水计算方法，其特征在于所述设计洪水模型包括：新安江三水源模型、TOPMODEL模型、推理公式辽宁法、小流域降雨径流法。

6.根据权利要求1所述的山洪灾害小流域设计暴雨洪水计算方法，其特征在于所述通过区域综合选择设计洪水模型具体为：将每个设计洪水模型得到的设计暴雨洪水取平均值，与该平均值最近的模型为该区域其它小流域的设计洪水模型。

7.根据权利要求1所述的山洪灾害小流域设计暴雨洪水计算方法，其特征在于所述通过区域综合选择设计洪水模型后，进行现实校正。

8.根据权利要求7所述的山洪灾害小流域设计暴雨洪水计算方法，其特征在于所述现实校正具体为：将该设计洪水模型得到的设计暴雨洪水与实测值比较；若误差小于阈值，则该设计洪水模型为该区域其它小流域的设计洪水模型；否则，校正设计洪水模型内的参数，返回步骤3)，直到误差小于阈值为止。