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陈萌1,翁朝晖1,范杨臻2,3,余明辉2,魏红艳2 (1.湖北省水利水电规划勘测设计院,武汉430064;2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072;3.湖北省水利水电科学研究院,武汉 430070) 作者 通讯作者： 陈 萌(1989-),女,河南信阳人,工程师,博士,主要从事防洪排涝和泥水环境等方面的工作。 摘要 截洪沟洪峰流量是截洪沟设计的重要参数。通过工程实例分析比较三种截洪沟洪峰流量计算方法,研究了降雨历时、山洪容重和重现期对三种方法洪峰流量的影响,并分析了各方法主要影响因素的显著程度。结果表明,对于工程实例,方法1(水土保持工程设计规范)和方法3(室外排水设计规范)的结果较接近,更偏安全。洪峰流量随降雨历时的增大逐渐减小,两者呈幂函数关系;洪峰流量随山洪容重的增大而增大,两者基本呈指数函数关系;洪峰流量随重现期的增大基本呈对数增长趋势。方法1和方法3各因素的影响程度从大到小排序为汇流面积＞降雨历时＞径流系数＞重现期;方法2(开发建设项目水土保持技术规范)各因素的影响程度从大到小排序为汇流面积＞径流系数＞重现期＞高含沙山洪容重。 关键词 截洪沟;洪峰流量;降雨历时;重现期;山洪容重;径流系数;汇流面积 Study and comparison of calculation methods for flood peak discharge of cut-off ditch in small watershed The flood peak discharge of a cut-off ditch is an important parameter in cut-off ditch design.In this paper,we compared three calculation methods for flood peak discharge of cut-off ditches based on a project case.We studied the influence of rainfall duration,unit weight of torrential flood,and recurrence interval on flood peak discharge,and analyzed the significance degree of the influence factors.It was found that Method 1(Code for design of soil and water conservation projects)and Method 3(Code for design of outdoor drainage projects)had similar results for the project case and both leaned towards safety.T he flood peak discharge would gradually decrease with the increase of rainfall duration,with a power function relation between them.The peak discharge would increase with the increase of unit weight of torrential flood,with an exponential function relation between them.T he peak discharge showed a trend of logarithmic growth with the increase of recurrence interval.Catchment area had the largest influence on flood peak discharge for Methods 1 and 3,followed by rainfall duration and runoff coefficient,while the influence of recurrence interval on flood peak discharge was the smallest.Catchment area had the largest influence on flood peak discharge for Method 2(T echnical code on soil and water conservation of development and construction projects),followed by runoff coefficient and recurrence interval,while the influence of unit weight of torrential flood on flood peak discharge was the smallest for Method 2. Key words cut-off ditch; peak discharge; rainfall duration; recurrence interval; unit weight of torrential flood; runoff coefficient; catchment area 基金项目 国家自然科学基金(11502174;11472198)  截洪沟是为了拦截排水地区坡面上部的径流而修建的排水沟道,用来保护某一地区或某项工程免受洪水造成的渍涝和冲刷。截洪沟的设计流量是一个重要的参数,它是确定截洪沟断面尺寸的重要依据。由于截洪沟的洪水流量过程线一般峰高量小,历时短,因此,可采用洪峰流量作为截洪沟的设计流量[1]。 受降雨强度、地表粗糙度、山坡坡度、土壤结构等因素的影响,坡面产汇流是一个极为复杂的过程[2-6]。因此,小流域截洪沟洪峰流量的计算方法较多,水利、市政、交通、水保等部门的相关规范以及地方标准中均有常用的推荐方法[7-15]。刘俊萍等[16]针对三个级别汇流面积的小流域截洪沟,比较了室外排水手册——雨水流量公式法和公路科学研究院经验公式法。郑佳重等[17]比较了中国水利水电科学研究院水文研究所公式法(简称推理公式法)、中国公路科学研究所经验公式法(简称经验公式法)和《安徽省暴雨参数等值线图、山丘区产汇流分析成果和山丘区中、小面积设计洪水计算办法》(简称“84办法”),得出“84办法”在洪峰流量计算中的应用是合理可行的。以上研究比较了市政部门的雨水流量公式法、公路科学研究院经验公式法以及地方标准中的方法,而未涉及水保部门推荐的方法。钟鸣辉[18]比较了水土保持规范中的两种计算方法,但仅考虑的是清水洪峰流量,未考虑高含沙山洪容重的影响,且未与其它部门常采用的方法进行比较。本文通过实例计算对水保部门常采用的水土保持工程设计规范中的方法(方法1)、开发建设项目水土保持技术规范中的方法(方法2)以及市政部门常采用的室外排水设计规范中的方法(方法3)进行比较,并分析降雨历时、山洪容重和重现期对截洪沟洪峰流量的影响规律以及各因素影响的显著程度,为截洪沟的合理设计提供思路和参考。 1  研究方法 本文首先通过工程实例,分别按照《水土保持工程设计规范》、《开发建设项目水土保持技术规范》和《室外排水设计规范》进行计算,并对三种方法的计算结果进行比较。其次,分析研究降雨历时对流量的影响,分别选取降雨历时为 5、20、40、60、90和120 min进行分析;分析研究洪水容重对流量的影响,分别选取高含沙山洪容重为 1.1、1.2、1.3、1.4和1.5 t/m³进行分析;分析研究重现期对三种方法流量的影响,分别选取重现期为 3、5、10、15、20、30、50和100年进行分析。最后,通过SPSS软件,分析和比较各方法的影响因素对截洪沟洪峰流量影响的显著程度。下面先对几种方法进行介绍。 1.1 方法1 依据《水土保持工程设计规范》(GB 51018-2014),永久截洪沟设计排水流量按下式计算[19]。  当缺乏自记雨量计资料时,可采用查降雨强度表法,利用标准降雨强度等值线图和有关转换系数进行计算,具体见式(2)。   沟管的平均流速v(m/s)可按下式计算[20]:  1.2 方法2 依据《开发建设项目水土保持技术规范》(GB 50433-2008)进行计算[21]。首先按公式(6)计算清水洪峰流量。  1.3 方法3 依据《室外排水设计规范》(GB 50014-2006)(2014年版)进行计算[22]。  式中:A₁为在重现期下的设计降雨的雨力;C为雨力变动系数,是反映设计降雨各历时不同重现期的强度变化程度的参数之一;P为重现期(a);t为降雨历时(min),计算方法同1.1节相关公式;b为参数。 2 实例分析 某工程区位于湖北省武汉市,汇流面积约0.19 km²,防洪排水标准为10年一遇[23-24]。根据《水利水电工程水土保持技术规范》(SL 575-2012)[25],陡峻的山地径流系数一般为0.75～0.9,计算时取0.8。截洪沟长约1.56 km。坡面流的坡降取有代表性山坡坡度的算术平均值,约为0.54。 2.1 设计暴雨计算 截排水工程应按短历时设计暴雨计算设计排水流量,截洪沟排水流量采用1 h雨量进行计算。采用湖北省水文水资源局2008年编制的《湖北省暴雨统计参数图集》成果,工程区最大1 h点雨量的均值   2.2 暴雨强度计算 根据武汉市排水防涝系统规划设计标准,武汉市短历时暴雨的暴雨强度应采用下式计算: 2.3 结果与分析 2.3.1 方法1 方法1中,降雨历时包括坡面汇流历时和沟管内汇流历时两部分。由于沟管内汇流历时需在截洪沟过水断面确定后,根据流速计算得到。然而,此时截洪沟设计流量尚未确定,无法设计过水断面。因此,需进行试算。先假设沟管内汇流历时t₂,计算总汇流历时t,确定截洪沟的设计流量和断面尺寸;再根据断面尺寸,按曼宁公式计算沟管内的平均流速,进而重新计算汇流历时。将计算得到的汇流历时和假设的汇流历时进行比较,如果两者相差较大,则需重新假设进行计算。经试算得到10年一遇标准下,截洪沟的设计洪峰流量约为4.05 m³/s。 2.3.2 方法2 由2.1节可知,10年一遇1 h降雨强度为70.8 mm,即i=70.8 mm/h。根据方法2,计算得到10年一遇设计标准下,截洪沟的清水洪峰流量约为3 m³/s。高含沙山洪容重为1.2 t/m³时,高含沙洪峰流量约为 3.41 m³/s。 2.3.3 方法3 经计算,10年一遇设计暴雨强度q为267.83 L/(s·hm²),截洪沟的设计洪峰流量为4.07 m³/s。 2.3.4 三种方法比较 通过对上述三种方法的结果进行比较,可以得出10年一遇设计标准下,根据方法2《开发建设项目水土保持技术规范》计算得到的洪峰流量最小,根据方法1《水土保持工程设计规范》和方法3《室外排水设计规范》计算得到的洪峰流量较方法2大。方法1和方法3的结果较为接近,约是方法2的1.2倍。因此,对于该工程来说,采用方法1和方法3计算得到的洪峰流量更偏安全。 3 影响因素对洪峰 流量的影响分析 3.1 降雨历时对流量的影响 为了研究降雨历时对流量的影响,分别取降雨历时为5、20、40、60、90和120 min进行分析。不同降雨历时下,根据方法1和方法3计算得到的洪峰流量Q₁和Q₃如图1和图2所示。 由图1和图2可知:洪峰流量随降雨历时的增大逐渐减小,两者呈幂函数关系。当降雨历时小于60 min时,降雨历时对流量的影响较大;当降雨历时大于60 min时,降雨历时对流量的影响减弱。洪峰流量Q₁与降雨历时的关系可由式(14)-式(17)表示,洪峰流量Q₃与降雨历时的关系可由式(18)-式(22)表示,决定系数均在0.99以上,拟合效果良好。 3.2 高含沙山洪容重对流量的影响 为了比较不同高含沙山洪容重对洪峰流量的影响,分别取山洪容重为1.1、1.2、1.3、1.4和1.5 t/m³进行比较。根据方法2计算得到的高含沙洪峰流量与高含沙山洪容重的关系见图3。 由图3可知:不同重现期下,洪峰流量均随山洪容重的增大而增大,两者呈指数函数关系。洪峰流量与山洪容重的关系可由式(23)-式(27)表示,决定系数均在0.99以上,拟合效果良好。 3.3 重现期对流量的影响 为了研究重现期对流量的影响,分别选取重现期为 3、5、10、15、20、30、50 和 100 年进行分析。由于相关规范仅给出了3、5、10和15年一遇的重现期转换系数,因此方法1仅计算了重现期为3、5、10和15年一遇的情况。根据方法2计算的流量分清水流量和高含沙洪水流量两种情况,此处仅以高含沙山洪容重1.2 t/m³为例来计算高含沙洪水洪峰流量。将几种方法计算得到的洪峰流量Q与重现期T的关系绘于图4,由图4可知:洪峰流量随重现期的增大基本呈对数增长趋势。当重现期小于50年时,重现期对流量的影响较大;当重现期大于50年时,重现期对流量的影响减弱。 洪峰流量和重现期的具体关系可用式(28)-式(31)表达,决定系数均在0.99以上,拟合效果良好。 为了对比重现期对三种方法流量的影响,将不同重现期下,三种方法计算得到的截洪沟洪峰流量列于表2。相同重现期下,根据方法2计算得到的流量与山洪容重有关。因此,表中分别给出了清水洪峰流量、山洪容重为1.1 t/m³、1.3 t/m³和1.5 t/m³几种情况的结果。 由表2可知,使用方法2依据《开发建设项目水土保持技术规范》,当高含沙山洪容重为1.5 t/m³时,高含沙洪水洪峰流量最大;根据该方法计算得到的清水洪峰流量最小;使用方法1根据《水土保持工程设计规范》和使用方法3根据《室外排水设计规范》计算得到的洪峰流量介于两者之间。方法3的结果略大于方法1,但总体来说差别不大。当山洪容重较小时,根据方法2计算得到的高含沙洪峰流量小于方法1和方法3;当山洪容重较大时,根据方法2计算得到的高含沙洪峰流量大于方法1和方法3。即存在一个临界山洪容重,当实际山洪容重大于临界值时,推荐使用方法2;当实际山洪容重小于临界值时,推荐使用方法1和方法3。 以方法3的计算结果为基础,分析其它方法相对该方法的大小关系,详见表3。由表3可知,方法1比方法3的结果小0.4%～2.2%。方法2的清水洪峰流量比方法3的结果小22.1%～29.8%;当高含沙山洪容重为1.1 t/m³时,使用方法2计算的高含沙洪峰流量比方法3的结果小17.1%～25.3%;当高含沙山洪容重为1.3 t/m³时,使用方法2计算的高含沙洪峰流量比方法3的结果小4.8%～14.2%;当高含沙山洪容重为1.5 t/m³时,使用方法2计算的高含沙洪峰流量比方法3的结果大0.7%～11.8%。此外,当洪水近似为清水以及山洪容重为1.1、1.3 t/m³时,随着重现期的增大,方法2与方法3结果的差距呈逐渐减小的趋势;当高含沙山洪容重为1.5 t/m³时,随着重现期的增大,方法2与方法3结果的差距呈逐渐增大的趋势。 方法3的结果略大于方法1,总体来说较为接近,而与方法2的清水流量差别较大。分析其原因主要在于,方法1和方法3均考虑的是设计重现期下、降雨历时内的平均降雨强度,而方法2考虑的是设计重现期下、平均1 h降雨强度。本文例子中,降雨历时小于1 h。一般来说,降雨历时越长,降雨历时内的平均降雨强度越小。因此,方法2计算得到的清水洪峰流量最小,方法1和方法3的结果较方法2的清水流量大。 4 影响因素显著程度分析 影响截洪沟洪峰流量的主要因素有径流系数、重现期、降雨历时、汇流面积、高含沙山洪容重等。采用SPSS统计软件进行方差分析,研究不同因素对截洪沟设计流量的影响程度。三种方法的影响因素及因素水平见表4-表6所示。各因素水平分别为:径流系数取 0.3、0.5、0.7和 0.9;设计重现期取 3、5、10、15、20、30、50 和 100 年;汇流面积取0.1、0.2、0.4和0.8 km²,山洪容重取1.1、1.2、1.3、1.4 和 1.5 t/m³;降雨历时取 5、20、60、90和120 min。 三种方法影响因素的方差分析结果见表7-表9。从表中可以看出,三种方法各因素的sig.值均为0,小于0.05;F值均大于临界F值,表明各因素对流量均有显著影响。同时,通过比较F值的大小可知,对于方法1和方法3,汇流面积对流量的影响最显著,降雨历时次之,接着是径流系数,重现期对流量的影响最弱;对于方法2,汇流面积对流量的影响最显著,径流系数次之,接着是重现期,山洪容重的影响最弱。 5 结论 01 通过实例分析,得出该工程在10年一遇设计标准下,截洪沟的洪峰流量采用方法2根据《开发建设项目水土保持技术规范》计算得到的洪峰流量偏小,采用方法3《室外排水设计规范》和方法1《水土保持工程设计规范》的结果较为接近,更偏安全。 02 洪峰流量随降雨历时的增大逐渐减小,两者呈幂函数关系。当降雨历时小于60 min时,降雨历时对流量的影响较大;当降雨历时大于60 min时,降雨历时对流量的影响减弱。洪峰流量随山洪容重的增大而增大,两者基本呈指数函数关系。洪峰流量随重现期的增大基本呈对数趋势增长,当重现期小于50年时,重现期对流量的影响较大;当重现期大于50年时,重现期对流量的影响减弱。 03 方法3的结果略大于方法1,总体来说较为接近;方法2计算得到的清水洪峰流量最小,方法2计算得到的高含沙洪水流量与方法1、3的相对大小关系与山洪容重有关。 04 对于方法1和方法3,汇流面积对截洪沟洪峰流量的影响最显著,降雨历时次之,接着是径流系数,重现期对流量的影响最弱。对于方法2,汇流面积对流量的影响最显著,径流系数次之,接着是重现期,高含沙山洪容重对流量的影响最弱。 05 本文的成果为其它截洪沟工程的科学合理设计提供方法和思路。由于截洪沟洪峰流量的影响因素众多且较为复杂,因此,本文的结论对于其它区域的适用性以及不同参数、不同地区对结论影响的规律有待进一步研究。 参考文献略 ★ 精彩专题一键获取 ★
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