水文比拟法在水文资料缺乏地区计算断面径流量方法探讨

程 遥 ，郭 艺

(1.长江水利委员会水文中游局皇庄水文站， 湖北 钟祥 431900；2.长江水利委员会水文汉江局十堰分局，湖北 十堰 442000)

1 概述

随着最严格水资源管理的三条红线的实施，需要对各级行政区的水资源总量、水资源利用率、排污总量等进行监测和计算，其中一个重要的指标是径流量的计算。理想的办法是在各行政区划之间设立水文断面进行监测，目前我国受经济、技术等多方因素限制，还很难达到各行政区划之间设立水文监测断面，在这些水文资料缺乏地区，径流量计算大多采用水文比拟法。

2 水文比拟法使用原则

随着中小河流水文站网建设及山洪灾害预警系统建设，各地雨量站建设越来越多。当一个流域内水文站数量不足，各分区断面虽然没有流量监测数据，但是断面以上流域雨量数据比较齐全。对于面积不是很大的流域，基于计算的各断面控制的流域互相比邻，各相邻断面控制流域下垫面相似，产汇流条件相近。根据《水利水电工程水文计算规范》(SL278-2002)的相关规定，在选好参证流域后，流量计算方法可以采用水文比拟法，通过参证断面径流量资料，运用流域面积比、面雨量比和径流系数比计算出拟算流域断面流量。

3 计算方法探讨

3.1 公式选取

计算公式：

Q设=(F设/F参)×(P设/P参)×(α设/α参)×Q参

(1)

式(1)中,Q设：设计断面流量；Q参：参证断面流量；F设：设计断面控制的流域面积；F参：参证断面控制的流域面积；P设：设计断面控制的流域面降水量；P参：参证断面控制的流域面降水量；α设：设计断面控制的流域降水径流系数；α参：参证断面控制的流域降水径流系数。

在选取参证断面时，尽量与拟算断面控制流域相邻，保持下垫面相似，α设/α参=1，比拟计算时只考虑流域面积差异和降水量不同。流量计算公式变化如下：

Q设=(F设/F参)×(P设/P参)×Q参

(2)

拟算断面控制流域面雨量由各分区面雨量采用面积权重法计算，流域面雨量公式如下：

(3)

3.2 基流分割

对于流域的一次降雨过程来说，其在流域出口断面形成的流量过程线由不同水源组成，如何区分径流的不同组分及其所占比例，需要对径流进行地面径流和基流的划分，即基流分割。一次洪水过程包含了地面径流，壤中流和地下径流。其中，地下径流又分为浅层和深层两种，通常把后者称为基流。基流是地下水补给进入河水中的部分，其径流量较为稳定，为河川的基本流量，和短周期的降水关系不明显。

用水文比拟法通过降雨进行径流计算时，需要对参证流域基流进行分割，以避免出现对拟算流域采用水文比拟法进行降雨径流计算时，出现降雨为0时断面流量也为0的不合理现象。

通过参证流域断面的实测流量过程，采用斜线分割法，即取历年最枯流量的平均值对流量序列进行分割，获取的较为稳定的流量，作为基流。再通过面积比拟的方法获取拟算流域断面的基流。

3.3 流域受水利工程影响时的计算方法

一般而言，天然流域降水径流关系的对应性较好，如果拟算流域与参证流域相似度较高，通过比拟法能够获得比较满意的结果。但是，许多流域修建了大小各类水利工程，破坏了天然的降雨径流关系。当流域内水利工程比较多，径流受水利工程控制影响较大时，月降水量和月平均流量对应性就较差。因为一般的水库月调节能力较强，导致当月降水量与径流量关系不一致。如果用参证断面的月降水和月平均流量计算拟算断面的月流量会带来较大误差，造成表面的不合理。为避免这些矛盾，通过以年降水和年径流为单位来进行比拟计算，再以月降水量作为权重进行分配，能最大限度的减小流域内各类大小水利工程对径流量调节带来的影响。

3.4 计算步骤

首先将参证断面的径流量进行基流分割，再采用参证断面的流域面积、年降水量、分割基流后的径流量和拟算断面的流域面积、年降水量通过比拟计算出拟算断面的除基流外的径流量，再按拟算断面上流域逐月降水量按比例分配计算各月地表径流量，叠加基流量则为各月的月径流量。

具体计算步骤如下：

(1)以拟算断面以上各分区逐月的面雨量和面积权重，采用面积权重法计算拟算断面控制流域面积的逐月面平均降水量(见公式3)，得到拟算断面控制流域面积的年面平均降水量。

(2)根据地理位置相近、流域地形地貌相似、流域面积相近的原则选定参证流域。

(3)采用斜线分割法，即取历年最枯流量的平均值对流量序列进行分割，获取的较为稳定的流量，从参证流域总径流量中分割出基流径流量和地表径流量。

(4)采用水文比拟法，根据参证断面年降水和地表径流量应用公(2)计算出拟算断面的地表径流量。

(5)以拟算断面计算的各月降水量为权重分配各月地表径流量。

(6)以各分区的流域面积和年降水量为权重，计算出各分区的年地表径流量，再根据各月降水量分配计算各月地表径流平均流量。

(7)按单位面积的基流标准计算拟算断面的基流流量，加入基流即为拟算断面月径流量(流量)。

4 计算实例

以汉江上游的鄂坪和兰滩两断面为例，鄂坪断面为参证断面，兰滩断面为拟算断面。鄂坪、兰滩断面在汉江上游的位置见图1。

兰滩断面以上拟算的流域面积1733.9 km2，主要是陕西白河县和湖北郧西县两个行政区，其中白河县638.59 km2，郧西县1071.8 km2。两个行政区面积合计1710.39 km2，占兰滩断面以上拟算的流域面积的98.6%。

参证断面选用鄂坪断面，控制流域面积为1695 km2，面积与兰滩断面以上流域面积1733.9 km2相近，

两流域相邻且均位于丹江水库西部，流域地形地貌、植被、气候等特征相似，因此将鄂坪断面作为兰滩的参证断面是非常合适的。

图1 兰滩断面在汉江的位置

兰滩断面上游有蜀河水电站等大型水库控制，为典型的人工控制河流，受水库调节影响，月降水与月径流的关系不相应。

4.1 基流参证断面及基流分割

通过提供的参证断面-鄂坪断面实测流量数据，采用斜线分割法，即取历年最枯流量的平均值对流量序列进行分割，获取的较为稳定的流量0.34 m3/s作为基流流量。通过比拟计算，设计断面兰滩断面基流量为0.342 m3/s。

4.2 计算方法

应用公式(2)依据前述计算步骤可以计算出兰滩断面的年径流和各月平均流量。

(1)计算各分区面积的权重比和基流值，分别为：白河县：0.373，基流量0.128 m3/s；郧西县：0.627，基流量0.214 m3/s。

(2)面雨量计算。根据各县面积权重系数和当月降水量，利用公式(3)即可计算出各分区平均面月雨量，由于两县总面积接近流域总面积，因此以两县当月平均面雨量近似代表流域当月平均面雨量，继而可计算出兰滩监测断面以上流域月面雨量和年面雨量。

(3)参证断面。参证断面为鄂坪断面，控制流域面积为1695 km2，鄂坪断面基流量为0.34 m3/s，拟算断面兰滩断面控制流域面积为1733.9 km2，计算基流流量为0.342 m3/s。

(4)径流量计算。根据参证断面年降水量和流域面积，应用公式(2)依据前述计算步骤可以计算出兰滩断面的年径流，依据各月降水量的权重即可计算出各月平均流量。

(5)计算结果见表1～3。

表1 依据面积权重计算的兰滩断面以上流域年面雨量

表2 兰滩断面根据2013年和2014年年面降水量计算年径流量

表3 兰滩断面2013年和2014年依据月降水量权重计算月平均流量

5 结论

通过计算实例(见表3)表明，在水文资料缺乏且受水利工程影响的地区，采用年降水量与年径流量进行水文比拟分析计算，再用月降水量作为权重进行分配，能很好地克服拟算断面上游水利工程对每月降水径流关系带来的影响，使每月的径流量与降水量的相关性更加合理。采用斜线分割法对基流流量分割计算，使降水量稀少的月份径流量分配更加符合实际情况。