8.7.4经验公式法计算设计洪峰流量
8.7.1概述
小流域通常指集水面积不超过数百平方公里的小河小溪，但并无明确限制。
小流域设计洪水计算，与大中流域相比，有许多特点，并且广泛应用于铁路、公路的小桥涵、中小型水利工程、农田、城市及厂矿排水等工程的规划设计中，因此水文学上常常作为一个专门的问题进行研究。
小流域设计洪水计算的主要特点是：
①绝大多数小流域都没有水文站，即缺乏实测径流资料，甚至降雨资料也没有。
②小流域面积小，自然地理条件趋于单一，拟定计算方法时，允许作适当的简化，即允许作出一些概化的假定。
例如假定短历时的设计暴雨时空分布均匀。
③小流域分布广、数量多。
因此，所拟定的计算方法，在保持一定精度的前提下，将力求简便，一般借助水文手册即可完成。
④小型工程一般对洪水的调节能力较小，工程规模主要受洪峰流量控制，因此对设计洪峰流量的要求，高于对洪水过程线的要求。
小流域设计洪水的计算方法概括起来有4种：
推理公式法、地区经验公式法、历史洪水调查分析法和综合单位线法。
其中应用最广泛的是推理公式法和综合瞬时单位线法。
它们的思路都是以暴雨形成洪水过程的理论为基础，并按设计暴雨→设计净雨→设计洪水的顺序进行计算。
8.7.2小流域设计暴雨的计算
针对小流域水文资料缺乏的特点，设计暴雨推求常采用以下步骤：
①根据省（区）水文手册（包括有关的水文图集，如《暴雨径流查算图表》）中绘制的暴雨参数等值线图，查算出统计历时的流域设计雨量，如24h设计暴雨量等；
②将统计历时的设计雨量通过暴雨公式转化为任一历时的设计雨量；
③按分区概化雨型或移用的暴雨典型同频率控制放大，得设计暴雨过程。
1.统计历的设计暴雨计算
由各省区的《暴雨径流查算图表》和《水文手册》查取。
例如湖北省1985年印发的《暴雨径流查算图表》中，就提供了7d、3d、24h、6h、1h及10min的暴雨参数等值线图，Cs/Cv值全省统一用3.5。
据此，便可由设计流域中心点位置查出那里的某统计历时暴雨的均值、Cv及Cs/Cv，进而求得该统计历时设计频率的雨量。
2.用暴雨公式计算任一历时的设计雨量
大量资料的统计成果表明，暴雨强度和历时的关系可用指数方程来表达，它反映一定频率情况下所取历时的平均降雨强度
与T的关系，称为短历时暴雨公式。
暴雨公式最常见的形式为
（8.7.1）
式中T——暴雨历时；h；
——历时为T、频率为P的最大平均降雨强度，mm/h；
SP——T=1.0h的最大平均降雨强度，与设计频率p有关；称雨力，mm/h；
n——暴雨衰减指数。
暴雨衰减指数n与历时长短有关，随地区而变化。
根据自记雨量资料分析，大多数地区n在T=1h的前后发生变化，T<1h为n1，1~24h为n2。
n1、n2各地不同，各省（自治区、直辖市）已根据每个站所分析的n1、n2绘成了等值线图或分区查算图。
雨力Sp与设计频率P关，可由该站的设计24h雨量推求。
因为任一历时T的设计雨量XTP为:
（8.7.2）
当T=24h时，xTp=x24p，n=n2，代入上式，得:
（8.7.3）
有了SP和n（n1或n2），显然会很容易地求得设计所需的任一历时的最大平均降雨强度和雨量XTP。
3.设计面雨量计算
按上述方法所求得的设计流域中心点的各种历时的点暴雨量，需要转换成流域平均暴雨量，即面暴雨量。
各省（自治区、直辖市）的水文手册中，刊有不同历时暴雨的点面关系图或点面关系表，可供查用。
4.设计暴雨的时程分配
在用综合单位线推求小流域设计洪水中，需要计算设计暴雨过程。
这时常采用分区概化时程分配雨型来推求。
【例3-4】鱼龙溪流域位于某省第二水文分区，拟在此建一桥涵，需利用综合瞬时单位线法推求p=1%的设计洪水。
为此，应先推求p=1%的设计暴雨过程。
（1）计算1、6、24h流域设计雨量
根据该流域中心点位置，查该省水文手册得各种历时暴雨的统计参数
、
，列于表8.7.1中。
由CV、Cs/CV及p查皮尔逊Ⅲ型曲线Φ值表，得各种历时暴雨的Φp，代入式
，算得1、6、24h的设计点雨量分别为95.6、176.8、291.0mm。
表8.7.1鱼龙溪流域中心点各种历时暴雨的统计参数
历时T（h）
雨量均值（mm）
CV
Cs/CV
1
40
0.42
3.5
6
68
0.47
3.5
24
100
0.54
3.5
该流域的面积为451.4km2，查水文手册得各种历时的点面折减系数为a1=0.684，a6=0.754，a24=0.814。
折算后各种历时的设计暴雨量（面雨量）为
1h设计雨量X1P=0.684×95.6=65.4mm
6h设计雨量X6P=0.754×176.8=133.3mm
24h设计雨量X24P=0.814×291=236.9mm
（2）计算3h设计面雨量
由1h和6h设计雨量内插，求得设计3h雨量x3P=101.2mm。
（3）计算设计暴雨过程
将上面所得各种历时的设计暴雨量X1P、X3P、X6P、X24P按该水文分区的概化雨型（表8.7.2）进行分配，得表8.7.2所示的设计暴雨过程。
黄土高原的石油类物质坡面径流污染研究
作者：
任磊，黄… 点击数：
56 更新时间：
2006-11-221:
11:
22
摘要：
延河流域石油类污染物的暴雨径流污染是当地地表水体的一种重要污染形式。
为了探明石油类物质的径流污染规律，进行了室内模拟试验。
结果表明：
降雨强度、土壤污染强度、受雨坡面的坡度等因素都能明显影响降雨径流污染过程；污染过程中的水相石油类物质是由径流含沙量和径流泥沙石油污染强度共同决定的，在试验条件下，水相污染强度可达1.56～5.19mg/L，足以对径流造成严重的污染。
关键词：
径流污染；土壤石油污染；降雨径流
中图分类号：
X74
文献标识码：
A
文章编号：
1000-4602（2000）11-0001-05
StudyonPetroleumRunoffPollutionintheLoessPlateau
RENLei，HUANGTinglin
（SchoolofEnviron.andMunic.Eng.,Xi′anUniv.ofArchitec.andTec.,Xi′an710055,China）
Abstract：
InYanRiverwatershed,oilrunoffpollutionisanimportantpollutionformofsurfacewaterbody.Inordertoverifythelawofoilrunoffpollution,anindoorsimulationrainfallrunoffexperimentwascarriedoutandsomeconclusionsweredrawn.Theexperimentalresultsshowedthatrainfallintensity,oilpollutionintensityofsoilsandfieldslopecouldgreatlyinfluencetherainfallpollutionprocess.Oilconcentrationinwaterwasdeterminedbytwofactors.Thefirstwastheconcentrationofthesedimentinrunoffandthesecondwastheoilpollutionintensityofthesediment.Undertheexperimentconditions,theoilconcentrationrangedfrom1.56to5.19mg/Lwhichcouldcauseseriouspollutioninrunoff.
Keywordsrunoffpollution;petroleum-pollutedsoils;rainfallrunoff
地处陕北黄土高原的延安市是陕西省重要能源基地，石油开采业比较发达，广泛分布在沟壑纵横的黄土坡地上的油井及采、输油设施，通过各种途径把原油泄漏至地面上，造成了土壤石油类污染。
在受污染地面上，当降雨产生径流后，石油类物质被坡面水流所携带发生迁移，进而污染地表水体。
黄土坡面石油类污染物随地表径流迁移是一个复杂的物理化学过程，受到许多因素的影响，如降雨特性、地面特性、石油类物质特性等。
迁移过程中，大部分石油类物质以吸附态存在于颗粒物上，一小部分漂浮于水面，其他则以乳化或溶解态均匀分散于水相中。
因此，研究黄土地区石油类污染物的径流污染特性必须考虑当地严重的水土流失特点［1］，同时要考虑土壤颗粒与石油类物质的相互作用。
目前这方面的研究还处于起步阶段，本文拟在试验的基础上，对黄土坡面石油类污染物径流污染的基本特性进行探讨，为本地区制定切实可行的石油类污染物防治及污染源控制方案提供科学的依据和理论指导。
1试验方法
1.1试验设备
试验在室内模拟坡面上进行，试验系统包括可调坡试验土槽、人工降雨、地表径流测量及径流取样几个子系统。
试验土槽长400cm，宽30cm，高60cm。
土槽的径流出口处有径流集水槽，用以观测流量和提取径流样品以分析径流量、含沙量和水相石油污染强度；降雨采用针头式降雨器，降雨强度容易控制且均匀性良好［2］。
1.2试验土料
试验用土采用延安当地的黄土，经风干、碾压、过筛等操作后，把采自延安地区油井的原油人工拌入土中形成污染土壤样品。
把样品静置数日，待污染物分布均匀后进行试验。
根据当地井场排污量估算和对井场上污染土采样分析情况，确定土样污染源强度系列为721、1369、5214、10474、16060mg/kg。
1.3降雨强度的确定
地区降雨的特点是：
分布集中、强度大和历时短。
根据这一特点，并参照当地暴雨强度公式和降雨强度的实测资料［1］，确定降雨强度系列为0.5、0.8、1.1、1.4、1.7mm/min。
1.4分析方法
水相中石油类含量分析采用紫外分光光度法，沉积物中石油总量采用重量法测定［3］。
测定时石油的吸收波长取254nm，标准油从延安当地油田采出的原油中提取。
2试验结果及分析
短历时暴雨引发的径流对地表水水质污染最为严重，所以试验以短历时暴雨为主要研究对象。
由于该地区属干旱半干旱气候区，地下水位深，降雨径流过程中的地面径流对地下水的影响不显著，故在试验过程不考虑对地下水的影响。
将处理好的土样按容积质量1.4g/cm3均匀装入土槽，在坡度为10°条件下进行了定雨强变土壤污染强度和定土壤污染强度变雨强的一系列试验。
此外还进行了旨在讨论坡度影响的一组变坡度试验，并连续测定径流量，同时取样分析径流含沙量和水相中污染物浓度。
2.1雨强对坡面径流污染过程的影响
2.1.1雨强对径流量过程的影响
径流量的大小取决于很多因素，如雨强、降雨历时、土壤结构、地表植被覆盖情况、地面坡度、地面平整度等。
其中，最大的影响因素是雨强。
在土壤污染强度C0=5214mg/kg的条件下进行径流污染试验的结果表明，雨强与稳态径流量的关系如图1所示，从中可以看出，在相同的土壤污染强度下，雨强越大则产流量越大。
由试验数据可得出在试验条件下降雨强度与稳态径流量的关系式：
Qr=kr1ia
（1）
式中 Qr——稳态产流量，mL/s
i——降雨强度，mm/min
a——与降雨强度相关的产流指数
krl——综合产流系数
其中参数值为：
krl=11.43；a=1.08。
2.1.2雨强对径流含沙量的影响
黄土高原的地形条件、土质条件、植被条件和水文条件，使这里的径流表现为世界上罕见的高含沙量。
石油类物质又是一种疏水物质，易于吸附于土壤颗粒表面，径流中的泥沙含量和泥沙中的污染物含量直接影响着径流水相的污染状况。
在相同的土壤污染强度下进行的一组试验，探讨了土壤受一定石油类物质污染条件下雨强对径流含沙量的影响（见图2、3）。
图2是在不同雨强下径流含沙量S的过程线。
可以看出，两条曲线都有两个产沙量的峰值。
第一个峰值大约出现在降雨发生后的7～10min，这个峰值主要是由雨滴击溅产沙被初期降雨形成的径流所携带而形成的。
在降雨时，侵蚀的两种主要原因是雨滴和流动的水。
雨滴引起的侵蚀，经常是侵蚀的最初阶段，它取决于降雨的动能，其动能随雨强增加［4］。
该地区的短历时高强度降雨很容易引起强烈的侵蚀作用，雨滴侵蚀的主要结果是较大的土壤团粒分离和表层土壤结构的破坏。
这样，降雨形成的坡面径流可带走大量的土
壤颗粒而形成高含沙水流。
试验过程中，可以观察到降雨发生10min后，在坡面的末端渐渐出现了毛沟侵蚀的现象，有时甚至出现了初级的细沟。
沟道的形成，大大增加了土体与水流的接触面积，并且破坏了较深层土壤的结构，使表层土壤更容易被水流侵蚀。
图2中第一个含沙量峰值后的含沙量增长过程就是沟道成长所引起的。
而一定的径流量在一定的坡度下具有的冲刷能力也是一定的，降雨发生一段时间后，由于径流量趋于稳定，含沙量也趋于稳定，从而形成第二个含沙量峰值。
根据试验数据，得到实验室条件下受污染土壤在发生降雨径流污染时，降雨强度与径流含沙量的关系式：
Sr=kr2ib
（2）
式中 Sr——径流稳态含沙量，kg/m3
b——与雨强相关的含沙量指数
kr2——综合含沙量系数
并确定参数为：
kr2=39.64；b=0.59。
2.1.3雨强对径流水相含污量影响
前已述及，石油类物质是疏水性物质，径流中大部分污染物是吸附于泥沙表面，被泥沙携带迁移。
在坡面降雨径流过程中，水流携沙均为悬移性泥沙，即沿程只发生泥沙悬浮，不发生沉积作用。
在被石油类物质污染的坡面土层上产生径流后，含油泥沙悬浮于紊动的水流中，发生污染物的释放，结果是石油类物质在水相和固相上达到浓度的平衡。
试验条件下，雨强与径流水相污染物浓度关系如图4所示。
根据石油类物质的水相释放特性，可用下式表示含沙量与水相污染物（石油类物质）浓度关系：
Cr=mSrC0/（1+nSrC0） （3）
式中 Cr——水相污染物浓度，mg/L
m，n——系数
参数确定结果为：
m=0.495；n=0.089。
2.2土壤污染强度对坡面径流污染过程的影响
2.2.1污染强度对径流强度的影响
土壤是由固、液、气三相物质组成的疏松多孔体，固相物质包括矿物质、有机质和土壤生物，在固相物质之间为形状大小不同的孔隙，孔隙中存在着水分和空气。
这几部分就组成了土壤生态系统，完成了土壤的各项功能。
降水发生后，水在重力作用下不断排开土壤中的气体，占据土壤孔隙，在土层深度方向上形成互相交错的毛细管群，向土壤深层运送水分，供给植物根部用水和补给浅层地下水。
在土壤受石油类物质污染的情况下，土壤颗粒表面吸附大量石油类物质而变成疏水颗粒，不易被水浸透；如果污染强度很大，石油类物质的量超过了土壤颗粒的吸附能力而直接填充于土壤间的孔隙，就会破坏土壤的可透水结构。
当降雨径流发生时，土壤不能形成有效的导水毛细管路，结果是下渗量减少，径流量增加。
由图5可看出，在相同的雨强下，产流量Q与土壤污染强度成正相关关系。
而且从五条曲线的变化趋势看出，污染强度越大曲线上升越快，即产流量稳定值出现越早，这与上述的土壤污染影响径流量的原理是吻合的。
根据试验得出的数据，图6和式（4）反映了污染强度与稳态径流量的相关关系：
Qw=kw1C0α （4）
式中 α——与土壤污染强度相关的产流指数
C0——土壤污染强度，mg/kg
kw1——定雨强条件下的综合产流系数
Qw——不同土壤污染强度下的稳态径流量，mL/s
可得参数为：
kw1=4.08；α=0.064。
2.2.2污染强度对径流含沙量的影响
当土壤被石油类物质污染以后，颗粒表面被疏水物质所覆盖，自身变为疏水颗粒。
同时，存在于颗粒之间的石油类物质又加强了土壤的结团能力。
降雨时，雨滴击溅作用对土层的破坏由于上述原因而减轻，相应的击溅产沙量就减少。
当地表径流产生后，水流冲刷作用下的产沙也会因石油类物质的存在而减轻。
根据试验数据，得到在相同雨强下土壤污染强度对径流含沙量的影响（见图7），并拟合成以下相关公式：
Sw=kw2·C0β （5）
式中 β——与土壤污染强度相关的含沙量指数
Sw——稳态含沙量，kg/m3
kw2——定雨强下的综合产沙系数
参数计算结果为：
kw2=76.09；β=-0.10。
2.2.3污染强度对水相含污量的影响
当颗粒物上的污染物浓度变化时，平衡释放过程也会有相应的变化。
径流水相浓度与径流含沙量和径流泥沙含污量有关，根据式（3），可得如下公式：
C=MSC0/（1+NSC0） （6）
式中 C——水相污染物浓度，mg/L
S——径流泥沙含量，g/L
M、N——系数
根据试验数据率定得：
M=9.5×10-5N=1.7×10-5。
2.3坡度对径流污染过程的影响
坡度是地貌形态特征的主要要素，也是影响径流过程的一个因素。
坡度大时坡面径流流速快，反映在流域上就是汇流速度快，起峰时间早。
当地又是以短历时的集中暴雨为主，汇流速度加快后，流域出现全流域汇流的可能性增大，从而使洪峰流量增大。
坡度对坡面侵蚀产沙的影响比较显著，当坡度在一定范围内增大时，流速增大的水流挟沙能力明显增大。
结果是坡面水流含沙量随着坡度增大而明显增大。
坡度影响侵蚀的另一个原因是坡度越陡，在相同坡长条件下引起细沟侵蚀的可能性越大。
从表1～3可得出以下结论：
①坡度能明显加快径流的汇流速度，而基本不影响其稳态径流量；②坡度能显著地影响径流含沙量，在试验坡度条件下，两者呈正相关系；③由于水相污染物浓度受到径流含沙量的影响，所以坡度间接地对其产生了作用。
表1坡度对径流过程的影响（i=1.0mm/min）
时间（min）
坡度（°）
5
10
15
径流量（mL/s）
5
4.05
5.66
8.32
10
9.53
10.43
11.50
15
11.83
11.93
11.95
表2坡度对径流稳态含沙量的影响
坡度（°）
雨强（mm/mi
升级会员 