無實(shí)測資料斷面設(shè)計洪水推求方法探討

許繼良 徐 慧

（1. 浙江省水利水電勘測設(shè)計院 杭州 310002；2. 常山縣水利局 浙江衢州 324200）

1 問題的提出

對于無實(shí)測資料斷面設(shè)計洪水，小流域洪水一般采用地區(qū)暴雨洪水綜合法，較大流域洪水通常采用面積指數(shù)法（流量法）推求設(shè)計洪水。實(shí)際運(yùn)用中，由于受水文測站分布等因素影響，僅采用傳統(tǒng)水文學(xué)方法推求無實(shí)測資料斷面設(shè)計洪水，其參數(shù)的率定、驗證通常較為困難，對設(shè)計成果精度影響較大。

某流域河長141km，流域面積2436km2。分大、小兩源，主源集水面積1376km2，支源集水面積 644km2。大、小兩源匯合口下游的沙頭鎮(zhèn)集水面積約2140km2，其斷面設(shè)計洪水的準(zhǔn)確性關(guān)乎到下游縣城核心區(qū)域防洪安全。

沙頭斷面無水文站實(shí)測流量資料，主源設(shè)有石柱水文站，控制流域面積 1273km2，自 1956年有實(shí)測流量資料，同時有1853、1905、1920、1922年等歷史洪水資料。支源設(shè)有碧蓮站，控制流域面積 433km2，實(shí)測流量資料系列為1957～1993年，同時有1912、1920年等歷史洪水資料。以往規(guī)劃設(shè)計中均采用面積指數(shù)法推求沙頭斷面設(shè)計洪水，以石柱水文站作為參證站，面積指數(shù)采用經(jīng)驗指數(shù)0.8，20年一遇沙頭斷面設(shè)計洪峰流量約為 12000m3/s。該設(shè)計成果被普遍運(yùn)用于下游防洪工程的規(guī)劃設(shè)計中。從水文設(shè)計角度而言，該方法符合我省以往水文設(shè)計經(jīng)驗，具有一定的科學(xué)性。但由于斷面無實(shí)測資料，且設(shè)計斷面控制流域面積與參證站控制流域面積相差較大，面積指數(shù)按省經(jīng)驗指數(shù)選取，對設(shè)計成果準(zhǔn)確性可能帶來一定的影響。

本文試通過水文、水力學(xué)結(jié)合分析方法，充分利用石柱水文站、碧蓮水文站實(shí)測流量資料，以及區(qū)間各降雨站降雨資料，通過構(gòu)建水文、水動力耦合模型，將無實(shí)測資料的沙頭斷面水文設(shè)計模型拓展至有實(shí)測資料的上塘潮位站水文、水動力耦合設(shè)計模型，以上塘潮位站實(shí)測水位對設(shè)計模型進(jìn)行率定、驗證，從而求得沙頭設(shè)計斷面歷史洪峰過程，再以傳統(tǒng)的水文統(tǒng)計方法求得沙頭斷面各設(shè)計頻率洪峰過程。

2 流域基本資料

2.1 水文站

流域主源上有石柱水文站，支源上有碧蓮水文站。兩站于 1956年設(shè)立，進(jìn)行水位、流量、降水、泥沙等項目觀測，流域面積分別為1273km2和 433km2。

2.2 降水量站

設(shè)計流域內(nèi)降水量站有上塘、潭頭、里樟等站，各降水量站統(tǒng)轄于浙江省水文勘測局，觀測資料經(jīng)統(tǒng)一整編、校對，精度可靠，可作為工程設(shè)計的基本資料。同時，各降水量站域內(nèi)分布基本合理，基本反映設(shè)計流域的降水特性，為工程設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。

2.3 水位站

域內(nèi)設(shè)計斷面沙頭鎮(zhèn)下游設(shè)有上塘潮位站，擁有近 20年水位觀測資料，可作為計算分析工作的驗證站。各測站分布情況見圖1。

圖1 流域水系測站分布圖

3 分析方法及成果

本文通過構(gòu)建水文水動力耦合計算模型，以有實(shí)測資料的碧蓮站及石柱站作為水動力模型上邊界，河口潮位站作為計算下邊界，區(qū)間小流域設(shè)計洪水采用傳統(tǒng)的水文暴雨推求洪水模型與水動力模型進(jìn)行耦合，利用設(shè)計斷面下游上塘站實(shí)測水位作為耦合模型率定、驗證數(shù)據(jù)，計算歷史沙頭洪水，再輔以傳統(tǒng)水文統(tǒng)計方法推求沙頭斷面各頻率設(shè)計洪水。該方法一定程度上解決了無實(shí)測資料斷面推求設(shè)計洪水參數(shù)選用及模型率定、驗證問題。

3.1 水文模型參數(shù)率定及驗證

本文選用碧蓮有實(shí)測資料的，距今時間較近，洪峰流量較大的1987年及1992年兩場較大洪水對水文模型進(jìn)行率定、驗證。驗證成果見圖2，圖 3。

3.2 水動力計算模型率定

對河道水動力計算模型采用 2004年云娜臺風(fēng)洪水為驗證洪水，模擬成果見表1.

由表1結(jié)果可得，各特征點(diǎn)實(shí)測水位與模型計算水位差均在 0.1m以內(nèi)，模擬精度較好，計算模型所采用的特征參數(shù)可用于成果計算。

3.3 耦合模型計算驗證

采用上述經(jīng)參數(shù)率定后的計算模型，對1961～2009年大洪水進(jìn)行模擬，為去除初值計算帶來的影響，使得計算盡量符合實(shí)際發(fā)生情況，選用較大洪水，采用永嘉縣上塘水位站有實(shí)際觀測的水位對計算成果再次進(jìn)行驗證、比較，成果見表2。由表2成果可得，采用水文水動力耦合計算模型模擬歷史各場較大洪水，用上塘水位站實(shí)測水位進(jìn)行驗證對比，各場洪水計算值與實(shí)測值差距均在0.3m以內(nèi)，說明模型對流域產(chǎn)、匯流模擬較好。

圖2 1987年模型率定成果對比圖

圖3 1992年模型驗證成果對比圖

表1 云娜臺風(fēng)洪水實(shí)測、計算水位對比表 單位：m

3.4 沙頭設(shè)計洪水推求

計算得到的沙頭斷面設(shè)計歷史年最大洪峰流量成果見表3。對1960～2009年沙頭段面流量進(jìn)行適線，成果見圖4。各頻率洪峰流量見表4。

表2 歷年上塘水位站水位與計算水位對比成果表 單位：m

表3 1960～2009年沙頭斷面計算最大洪峰流量成果表 單位：m3/s

圖4 沙頭斷面流量適線圖

表4 沙頭斷面各頻率洪峰流量成果表

由于水文水動力計算耦合模型考慮了石柱、碧蓮水文站實(shí)際發(fā)生洪峰的錯時，水文站以下河道對洪水的坦化作用以及河口潮位的頂托作用，又以能夠掌握的各種實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了率定、驗證，其所計算出來的沙頭流量基本能反映實(shí)際發(fā)生的流量過程。

經(jīng)分析，沙頭斷面20年一遇流量9230m3/s，50年一遇洪峰流量11200m3/s，100年一遇洪峰流量12700m3/s，300年一遇洪峰流量14900m3/s。相比傳統(tǒng)面積指數(shù)法求得的沙頭斷面洪峰流量，以20年一遇洪峰流量為例，小約20%。

4 結(jié)語

在推求無實(shí)測資料設(shè)計洪水時，單純以水文學(xué)方法，受流域測站分布等因素制約，其參數(shù)率定、驗證較為困難，給設(shè)計成果帶來了更多的不確定性。本文提出構(gòu)建流域水文水動力耦合模型的設(shè)計思路，將流域水文站、河道、參證站等要素通過模型結(jié)合起來，推求設(shè)計斷面歷史洪水，再輔以水文統(tǒng)計方法推求設(shè)計洪水的思路，經(jīng)某流域斷面設(shè)計洪水項目驗證，被證明具有相對較高的精度，可為今后類似情況洪水設(shè)計提供一種設(shè)計思路。

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