浙江省小流域設(shè)計(jì)洪峰流量的簡(jiǎn)捷估算方法

伍遠(yuǎn)康，勞國(guó)民，劉?，帲沼栏?/p>

(浙江省水文局，浙江 杭州 310009)

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浙江省小流域設(shè)計(jì)洪峰流量的簡(jiǎn)捷估算方法

伍遠(yuǎn)康，勞國(guó)民，劉福瑤，陶永格

(浙江省水文局，浙江 杭州 310009)

為了實(shí)現(xiàn)山丘區(qū)小流域設(shè)計(jì)洪峰流量的快捷估算，按分布基本均勻和大區(qū)套小區(qū)的原則，分別在全省篩選了162個(gè)代表流域和大套小32組共72個(gè)流域，計(jì)算機(jī)提取流域(河流)特征，以暴雨分析設(shè)計(jì)洪水、面積指數(shù)，并繪制成8種設(shè)計(jì)頻率的洪峰模系數(shù)等值線圖，據(jù)此可以快捷查算全省任意指定斷面的設(shè)計(jì)洪峰流量值。

簡(jiǎn)捷估算；設(shè)計(jì)洪峰流量；浙江省

1 問題的提出

設(shè)計(jì)洪峰流量是指水利水電工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)，河流治理，公路、鐵路橋涵設(shè)計(jì)以及其它國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中指定的各種標(biāo)準(zhǔn)的洪峰流量，是設(shè)計(jì)洪水計(jì)算三要素之一。設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算通常具有2種途徑，一是根據(jù)實(shí)測(cè)流量資料計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，二是根據(jù)暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水，2種途徑各有優(yōu)缺點(diǎn)[1]，但不管是以流量資料還是以暴雨資料計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，過程相對(duì)繁瑣。能否通過一定數(shù)量的代表流域指定頻率設(shè)計(jì)成果的分析、綜合，簡(jiǎn)便、快捷地獲得任意指定位置的設(shè)計(jì)洪水，是本文所要討論的問題。

2 下墊面分區(qū)

為滿足設(shè)計(jì)洪水計(jì)算和成果綜合需要，達(dá)到相同分區(qū)內(nèi)與設(shè)計(jì)洪水有關(guān)的參數(shù)綜合的目的，以浙江省現(xiàn)有122個(gè)水文站實(shí)測(cè)歷年最大洪峰流量為因變量，將與洪峰流量具有明顯成因聯(lián)系的同場(chǎng)雨的不同時(shí)段最大雨強(qiáng)、流域面積、河床比降等作為自變量建立全省復(fù)相關(guān)關(guān)系，計(jì)算回歸洪峰流量、統(tǒng)計(jì)與實(shí)測(cè)洪峰流量的相對(duì)誤差，將其一一對(duì)應(yīng)地標(biāo)注在全省122個(gè)站點(diǎn)的分布圖上[2]。根據(jù)各站相對(duì)誤差偏大、偏小的情況，結(jié)合考慮全省主要水系一級(jí)支流的完整性、土壤改良利用分區(qū)[3]、植被分區(qū)和中國(guó)水文分區(qū)[4-5]，將全省劃分為A、B兩個(gè)區(qū)。其中，A區(qū)面積4.294萬(wàn)km2，包括錢塘江中上游、甌江中上游、浦陽(yáng)江、曹娥江地區(qū)，這一區(qū)域與浙江省的梅雨區(qū)基本吻合；B區(qū)面積6.086萬(wàn)km2，包括天目山區(qū)、會(huì)稽山、四明山、天臺(tái)山、大盤山、括蒼山、南北雁蕩山等余下區(qū)域，呈“7”字形分布，這一區(qū)域與浙江省的臺(tái)風(fēng)雨區(qū)基本吻合[6](見圖1)。

圖1 浙江省洪水計(jì)算分區(qū)圖

3 代表流域選擇

在全流域面積在50 km2以上的省526條山地河流中，按照面上分布基本均勻的原則，選取162個(gè)代表流域，集水面積在49.3～1 912.0 km2，分布見圖2；根據(jù)大流域套小流域的要求，在A、B兩個(gè)區(qū)分別選取32組共72個(gè)流域(見表1)。采用國(guó)家1∶50 000基礎(chǔ)數(shù)據(jù)高程模型以及2007年以后的單一時(shí)相2.5 m分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)人機(jī)交互提取上述流域的流域面積、河長(zhǎng)以及河流比降特征[7-8]。

圖2 全省山丘區(qū)162個(gè)代表流域分布圖

表1 A、B分區(qū)配套流域及特征統(tǒng)計(jì)表

4 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

針對(duì)現(xiàn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法存在的模型參數(shù)分析所采用的分析站點(diǎn)少、資料系列短，匯流參數(shù)的下墊面分類任意性較大，流域面積50 km2上下需用不同計(jì)算方法以及下墊面分類、面積分級(jí)交界點(diǎn)的設(shè)計(jì)值不銜接等不足，作者綜合我國(guó)各省(市、區(qū))在設(shè)計(jì)洪水中采用方法、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，以瞬時(shí)單位線為設(shè)計(jì)洪水首選方法，并在建國(guó)以后全省設(shè)立的實(shí)驗(yàn)站、小河站和區(qū)域代表站中篩選出97個(gè)水文站，流域面積在0.6～2 157.0 km2，共計(jì)1 465場(chǎng)實(shí)測(cè)暴雨洪水資料，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)優(yōu)選、識(shí)別，結(jié)合流域特征進(jìn)行參數(shù)的單站、分區(qū)綜合，提出了浙江省分區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法。由于使用了較原來多4倍的雨洪資料，提高了方法的代表性；以下墊面分區(qū)代替分類減少了設(shè)計(jì)成果的任意性；不需要區(qū)分設(shè)計(jì)流域面積的大小，擴(kuò)大了方法適應(yīng)性，作為本文設(shè)計(jì)洪水計(jì)算選用方法。設(shè)計(jì)暴雨、日程、時(shí)程分配按照浙江省水文局編制的《浙江省短歷時(shí)暴雨》(2003年2月)成果和方法。

具體做法是直接查讀162個(gè)代表流域形心處的最大100 min、600 min、60 h、240 h、30 d等5個(gè)時(shí)段的均值、Cv，計(jì)算0.1%、0.2%、0.5%、1.0%、2.0%、5.0%、10.0%、20.0%等8種設(shè)計(jì)頻率雨量和時(shí)程分配，結(jié)合已經(jīng)獲得的流域面積、河長(zhǎng)以及河流比降特征，按分區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法分析得到162個(gè)代表流域相應(yīng)頻率設(shè)計(jì)洪峰流量。

5 設(shè)計(jì)成果的地區(qū)綜合

5.1 地區(qū)綜合方法

通常洪峰流量與流域面積的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系呈冪指數(shù)型，即：

QM=CpFn

(1)

式中：QM為設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；F為設(shè)計(jì)流域集水面積，km2；n為面積指數(shù)，反應(yīng)冪函數(shù)線形狀，隨地區(qū)和洪水量級(jí)變化，其變化范圍在0.5～0.8；Cp為洪峰模系數(shù)[9]。

由式(1)得：

(2)

為此，可以繪制洪峰模系數(shù)等值線的方法進(jìn)行地區(qū)綜合，即按上述設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法分析162個(gè)代表流域的指定頻率洪峰流量，根據(jù)流域的設(shè)計(jì)洪峰流量、流域面積，A區(qū)、B區(qū)相應(yīng)頻率的面積指數(shù)，由(2)式得到162個(gè)流域相應(yīng)頻率的洪峰模系數(shù)Cp，分別置于162個(gè)流域的出口斷面處，繪制成指定頻率的洪峰模系數(shù)等值線圖。

5.2 面積指數(shù)分析

以A、B兩區(qū)選出的32組“大套小”共計(jì)72個(gè)流域，按照設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法分析指定頻率的洪峰流量，分別按A、B分區(qū)點(diǎn)繪～關(guān)系，分析的面積指數(shù)值見圖3、4，各頻率分析成果見表2?？梢?，A區(qū)面積指數(shù)要小于B區(qū)，A區(qū)面積指數(shù)在0.631～0.679，平均為0.662,平均相關(guān)系數(shù)為0.981；B區(qū)面積指數(shù)在0.698～0.768，平均為0.742，平均相關(guān)系數(shù)為0.978。2個(gè)分區(qū)面積指數(shù)均處于0.5～0.8的合理區(qū)間。

圖3 A區(qū)QN～F關(guān)系曲線圖(P=1.0%)

圖4 B區(qū)QN～F關(guān)系曲線圖(P=1.0%)

設(shè)計(jì)頻率A區(qū)B區(qū)anR2anR20.1%63.2930.6790.963154.4620.7680.96900.2%58.7050.6760.962350.9690.7640.96790.5%52.5390.6710.960646.4390.7580.96531.0%47.1030.6690.960442.9300.7510.96262.0%41.7220.6640.961239.0480.7440.95825.0%34.7950.6560.961033.5340.7310.951010.0%29.3640.6470.961229.0780.7180.944320.0%23.9560.6310.963924.1920.6980.93440.66210.962010.74210.95701

注：表中上標(biāo)1的數(shù)據(jù)為平均值。

5.3 設(shè)計(jì)洪峰模系數(shù)等值線

5.3.1 等值線分析

根據(jù)162個(gè)典型流域面積、8種頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量和相應(yīng)頻率面積指數(shù)，按照洪峰模系數(shù)計(jì)算公式，求得162個(gè)流域的洪峰模系數(shù)Cp，在浙江省的數(shù)字地圖上，準(zhǔn)確標(biāo)注162個(gè)流域的控制斷面位置，并將洪峰模系數(shù)Cp置于對(duì)應(yīng)流域的出口斷面處，利用ArcGIS空間分析技術(shù)繪制成洪峰模系數(shù)等值線圖(見圖5)。

圖5 浙江省p=1.0%設(shè)計(jì)洪峰模系數(shù)等值線圖

5.3.2 查圖檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)各頻率設(shè)計(jì)洪峰流量模系數(shù)等值線成果的合理性，以100 a一遇洪峰模系數(shù)等值線為例，在相應(yīng)分區(qū)內(nèi)選用部分水文站直接法計(jì)算成果、已建水庫(kù)設(shè)計(jì)成果與查圖成果進(jìn)行比較(見圖6、7)。為了檢驗(yàn)洪峰模系數(shù)圖在特小面積上的適用性，在寧波地區(qū)選擇了部分特小流域，進(jìn)行了直接與查圖方法設(shè)計(jì)成果的比較，具有較好的相關(guān)性(見表3)。由此可見，按此法得到的洪峰流量與工程選用設(shè)計(jì)成果有較好的一致性。

圖6 B區(qū)水文站不同方法成果比較圖(P=1.0%)

圖7 A區(qū)水庫(kù)不同方法成果比較圖(P=1.0%)

設(shè)計(jì)流域面積/km2計(jì)算洪峰流量/(m3/s)面積指數(shù)洪峰模系數(shù)查圖洪峰流量/(m3/s)陸埠55.501049.00.75151.41021.0梁輝35.06577.00.75139.9680.0雙溪口40.01498.00.75131.2575.0向家弄15.70331.00.75141.8396.0百丈崗16.64565.00.75168.4438.0寺前王12.72315.00.75146.6270.0穴湖2.5253.80.75126.990.1大池墩12.48181.00.75127.2220.0陶徐馮1.2943.00.75135.538.7相岙6.58158.00.75138.4132.0姚嶺5.30153.00.75143.7129.0車廄7.80224.00.75147.9187.0華山2.0563.60.75137.190.9

5.3.3 成果應(yīng)用

依據(jù)設(shè)計(jì)洪峰模系數(shù)等值線圖，可以直接查讀任意指定山丘區(qū)斷面8種設(shè)計(jì)頻率的洪峰模系數(shù)、所在分區(qū)的面積指數(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)流域的面積，按照式⑴即可簡(jiǎn)便、快捷地獲得指定地點(diǎn)的設(shè)計(jì)洪峰流量值。所介紹的方法可作為簡(jiǎn)捷估算浙江省山丘區(qū)設(shè)計(jì)洪峰流量和對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行合理性評(píng)價(jià)使用。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了浙江省任意小流域設(shè)計(jì)洪峰流量估算的簡(jiǎn)捷方法，需要說明的是現(xiàn)有各種計(jì)算設(shè)計(jì)洪水的途徑，其估算成果都要受到資料條件、計(jì)算理論方法對(duì)各種環(huán)節(jié)所采用的概化、均化和簡(jiǎn)化的限制和影響，加上在計(jì)算過程中免不了受到計(jì)算者的主觀和偏愛的影響，計(jì)算結(jié)果只能近似地代表其本來定義中應(yīng)當(dāng)具有的數(shù)值。浙江省處于中國(guó)東部季風(fēng)氣候控制范圍，暴雨洪水變幅較大，對(duì)其變化規(guī)律至今還不能描述清楚，在洪水估算中難度較大。應(yīng)此，在我國(guó)的長(zhǎng)期實(shí)踐中，對(duì)設(shè)計(jì)洪水總結(jié)出“多種途徑、多種方法、綜合分析、合理選用”的做法[10]，其出發(fā)點(diǎn)是為彌補(bǔ)不同途徑和方法所使用資料的局限性，以及使用不同方法在不同環(huán)節(jié)上進(jìn)行概化帶來的缺陷，可以起到相互參照，相互驗(yàn)證、相輔相成的作用，最后經(jīng)過綜合分析、判斷選定設(shè)計(jì)成果。因此，在本成果應(yīng)用過程中，上述長(zhǎng)期實(shí)踐總結(jié)出的方法仍然是十分必要的。

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(責(zé)任編輯 姚小槐)

A Simple Estimation Method for Design Flood Peak Flow of Small Watershed in Zhejiang Province

Wu Yuan-kang，Lao Guo-ming，Liu Fu-yao，Tao Yong-ge

(Zhejiang Provincial Hydrology Bureau, Hangzhou 310009, Zhejiang, China)

In order to achieve a faster estimation of small watershed design peak flow in hilly areas, according to the principle of the basic even distribution and groups of small region in big one, 72 basins were selected from 162 representative basins and 32 groups in Zhejiang Province. The watershed (river) features were extracted by computers, rainstorms were used to analyze design flood and area index. We drew contour maps of flood peak mode coefficient in 8 kinds of design frequency. According to the map, the design peak flow values of any specified section in Zhejiang province can be checked and calculated quickly.

faster estimation; design peak flow；Zhejiang Province

2015-10-11

浙江省公益性科研項(xiàng)目(2012C23041)；浙江省水利廳重大科技項(xiàng)目(RA1201)。

伍遠(yuǎn)康(1957-)，男，大學(xué)本科，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水文、水資源及水環(huán)境研究工作。

E-mail：wuyk130@263.net

P333

A

1008-701X(2016)01-0053-04

10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.01.017