水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水評(píng)價(jià)方法分析

王先慶 王亞維

摘要：現(xiàn)代化建設(shè)高速發(fā)展，人們愈來(lái)愈多地注意防洪問(wèn)題。如何在保證水庫(kù)自身安全的條件下使其綜合效益得到最大程度地發(fā)揮是一個(gè)重大的研究課題，水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水分析是該研究課題中的基礎(chǔ)工作之一。本文結(jié)合魁龍水庫(kù)的實(shí)際情況，基于理論性與實(shí)用性相結(jié)合為準(zhǔn)繩，重點(diǎn)研究以下內(nèi)容：運(yùn)用暴雨資料和參證站實(shí)測(cè)洪水資料和歷史洪水資料推求魁龍水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水，然后對(duì)兩種方法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行擇優(yōu)比較，選出最符合設(shè)計(jì)流域?qū)嶋H情況的成果。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)洪水；魁龍水庫(kù)；暴雨資料；歷史洪水資料

Abstract：With the rapid development of modernization， people are paying more and more attention to flood control.How to maximize the comprehensive benefits under the conditions of ensuring the safety of the reservoir itself is a major research topic.Reservoir design flood analysis is one of the basic tasks in this research topic.This paper combines the actual situation of Kuilong Reservoir， based on the combination of theory and practicality，focusing on the following contents：Using the rainstorm data and the measured flood data and historical flood data of the participating stations to derive the design flood of the Kuilong Reservoir，Then， the design floods calculated by the two methods are compared and selected， and the results that best meet the actual situation of the design basin are selected.

Key words： Design flood； Kuilong Reservoir；Rainstorm data；Historical flood data

1 引言

設(shè)計(jì)洪水分析的基礎(chǔ)理論和方法近年來(lái)隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的大力發(fā)展取得了極大的的進(jìn)展，目前國(guó)內(nèi)外較為通用的計(jì)算方法是頻率洪水與可能最大洪水。頻率洪水計(jì)算根據(jù)隨機(jī)變量暴雨或洪水概率密度曲線分布函數(shù)的型式不同，可有多種不同的線型。根據(jù)李元章、李松任等學(xué)者研究驗(yàn)證表明，P-Ⅲ型分布線型在水文頻率計(jì)算方面為較優(yōu)的一種線型。頻率曲線的線型選定后確定分布函數(shù)的問(wèn)題就變成估計(jì)分布中所含的參數(shù)。J.A.Greenwood等人用概率權(quán)重矩法分別對(duì)通用極值分布、威克比分布、耿貝爾分布給出參數(shù)估計(jì)計(jì)算公式，研究表明具較好的統(tǒng)計(jì)特性。侯玉等學(xué)者比較了七種參數(shù)估計(jì)方法，比較得出用概率權(quán)重矩法求得的參數(shù)較為合理。陳元芳、侯玉指出絕對(duì)值準(zhǔn)則適線法和概率權(quán)重矩法（PWM法）是一種較為優(yōu)良的P-Ⅲ型分布參數(shù)估計(jì)方法。胡素端指出估計(jì)的參數(shù)和所選擇的適線準(zhǔn)則、經(jīng)驗(yàn)適線或目估適線以及分析人員的水平和經(jīng)驗(yàn)等因素有關(guān)，但只要程序、算法設(shè)計(jì)得當(dāng)，參數(shù)精度仍可在允許的誤差范圍內(nèi)。

設(shè)計(jì)洪水問(wèn)題與工程造價(jià)、工程安全密切關(guān)系，幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外水利工作者圍繞設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算途徑和方法展開(kāi)過(guò)多次爭(zhēng)論，這種爭(zhēng)論推動(dòng)了水利科學(xué)的發(fā)展。本文以貴州省魁龍水庫(kù)為例，采用暴雨暴雨資料和參證站實(shí)測(cè)洪水資料和歷史洪水資料推求設(shè)計(jì)洪水，得到了較為符合設(shè)計(jì)流域?qū)嶋H情況的結(jié)果，相關(guān)研究可以為設(shè)計(jì)洪水計(jì)算提供一定的借鑒和參考。

2 研究區(qū)概況

魁龍水庫(kù)在魁龍河下游，壩址位于東經(jīng)107°51′30″，北緯27°12′21″，總庫(kù)容1152萬(wàn)m？，屬中型水庫(kù)。區(qū)域總體地勢(shì)四周高中間低，中部為規(guī)模較大的余慶斷陷盆地，受地層巖性及構(gòu)造控制，區(qū)內(nèi)侵蝕溶蝕作用強(qiáng)烈。魁龍河流域?qū)偃芪g浸蝕型低中山谷地地貌，區(qū)域氣候溫和濕潤(rùn)，雨量豐沛，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，區(qū)域多年平均氣溫約16.6℃，多年平均降雨量1091.8mm，其中最大年降水量1462.1mm，最小年降水量708.3mm，年內(nèi)分配不均，多年平均汛期5～10月，降水量占全年74.8%，實(shí)測(cè)最大日暴雨量174.9mm。

3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

3.1 暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水

3.1.1 暴雨特征

設(shè)計(jì)流域位于烏江和沅江分水嶺地帶，屬于一般暴雨區(qū)。5～10月為汛期，歷時(shí)1天左右大暴雨集中在6～9月。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳?951～2010共59年資料統(tǒng)計(jì)，實(shí)測(cè)最大日暴雨量174.9mm，年最大日暴雨多出現(xiàn)在6～9月，占74.6%，其中6月份為最頻繁，占28.8%。

3.1.2 設(shè)計(jì)暴雨

氣象站實(shí)測(cè)年最大日暴雨量資料有1937～2010年系列共74年，對(duì)其進(jìn)行頻率計(jì)算，采用P-Ⅲ型曲線進(jìn)行適線，成果見(jiàn)下圖1及下表1。

年最大日暴雨系列值適線后H日=81.3mm（H24=91.1mm），Cv=0.45。查閱《貴州省短歷時(shí)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖集》之“年最大24小時(shí)點(diǎn)雨量均值等值線圖”和“年最大24小時(shí)點(diǎn)雨量Cv值等值線圖”可知H24=86mm，Cv=0.45，偏安全考慮本次設(shè)計(jì)流域洪水計(jì)算暴雨成果采用值H24=91.1mm，Cv=0.45，Cs=3.5Cv。1小時(shí)暴雨根據(jù)《貴州省短歷時(shí)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖集》查算為S=40.0mm，Cv=0.40，Cs=3.5Cv。通過(guò)適線得到以下成果，詳情見(jiàn)下表2。

3.1.3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

魁龍河壩址以上流域面積19.3km2，小溪河壩址以上流域面積20.1km2，幾個(gè)流域均屬于植被較好、開(kāi)墾度一般的山區(qū)，河道蜿蜒曲折，同時(shí)根據(jù)流域幾何特征值θ（魁龍河壩址以上流域θ=L/J0.33·F0.25=13.3≤30；小溪河壩址以上流域θ=L/J0.33·F0.25=14.6≤30），綜合分析，采用“修訂公式”形式如下：

式中：Qmp-某設(shè)計(jì)頻率之洪峰流量（m3/s）；r1-匯流參數(shù)；f-形狀系數(shù)；J-主河道平均坡降；F-流域面積；C3-洪峰徑流系數(shù)；H24p-某設(shè)計(jì)頻率最大24小時(shí)暴雨量；h24p-某頻率洪量徑流深。

在計(jì)算過(guò)程中，匯流系數(shù)r1根據(jù)流域情況取0.35，C3取值范圍為0.74～0.87，魁龍水庫(kù)壩址和小溪河攔河壩址處各頻率設(shè)計(jì)洪峰流量、最大24小時(shí)洪量如表3所示。

小溪河洪水可通過(guò)隧洞引至魁龍水庫(kù)導(dǎo)致魁龍水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水還需要考慮引洪量，該隧洞的最大允許過(guò)流量為6.50m3/s。首先，依據(jù)小溪河攔河壩壩址處洪水過(guò)程線對(duì)其中大于6.50m3/s的部分作棄水處理得到隧洞引洪過(guò)程線，然后根據(jù)魁龍河壩址處同頻率洪水過(guò)程線對(duì)應(yīng)合并得到魁龍水庫(kù)壩前設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線和設(shè)計(jì)洪水洪峰流量和最大24小時(shí)洪量，詳見(jiàn)表4。

3.2 流量資料推求設(shè)計(jì)洪水

3.2.1 參證站洪水資料

洪峰流量有1961年～1995年35年實(shí)測(cè)資料，以及歷史洪水資料，組成洪水系列資料。洪峰流量還原計(jì)算首先根據(jù)團(tuán)結(jié)水庫(kù)出庫(kù)流量及庫(kù)水位，推得團(tuán)結(jié)壩址天然洪水，然后根據(jù)壩址天然洪水再演算得到水文站洪水，從而建立起還原洪水與實(shí)測(cè)洪水的關(guān)系。

3.2.2 參證站設(shè)計(jì)洪水

參證站設(shè)計(jì)洪峰計(jì)算根據(jù)還原后洪峰流量系列35年和歷史洪峰5年組成不連序系列，利用P-Ⅲ型曲線適線，頻率曲線見(jiàn)圖2，設(shè)計(jì)洪峰流量結(jié)果如表5。

3.2.3 流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

根據(jù)參證站洪峰系列計(jì)算成果，用以下公式計(jì)算出魁龍水庫(kù)壩址設(shè)計(jì)洪水均值。

式中：Q設(shè)-魁龍水庫(kù)壩址設(shè)計(jì)洪水均值；Q參-參證站的設(shè)計(jì)均值；F設(shè)-魁龍水庫(kù)壩址流域面積19.3km2；F參-參證站774km2的流域面積；n-洪峰流量或洪量消減指數(shù)。

首先根據(jù)余慶水文站洪峰流量均值比擬至200km2（其中洪峰消減指數(shù)n取0.67），再根據(jù)“雨洪公式”比擬至魁龍水庫(kù)壩址（其中洪峰消減指數(shù)n取0.716），得魁龍水庫(kù)壩址處洪峰流量均值為35.4m3/s。在同一流域內(nèi)一般有洪峰Cv值隨流域面積減少而增大的規(guī)模[8]，參照本地區(qū)其他水文站的分析成果：長(zhǎng)壩水文站流域面積5454km2洪峰流量適線Cv值為0.43，上游銀水寺水文站流域面積1278km2、旺草水文站流域面積413km2洪峰流量適線Cv值分別為0.58和0.74；二郎壩水文站流域面積3149km2洪峰流量適線Cv值為0.57，上游桐梓水文站流域面積458km2洪峰流量適線Cv值為0.62?？埶畮?kù)壩址流域面積19.3km2占余慶水文站流域面積774km2的2.5%，根據(jù)以上各站Cv值變化趨勢(shì)，魁龍水庫(kù)壩址處Cv值按0.90考慮，各頻率洪峰流量成果見(jiàn)表6。

4 結(jié)果與分析

從上述兩種方法推求的設(shè)計(jì)成果來(lái)看：“流量法”各頻率洪峰流量成果較“雨洪法”成果分別小1%～23%。

一方面考慮參證站流域面積較設(shè)計(jì)流域面積相差太大（近40倍），已超出通常的比擬適應(yīng)范圍，所推算成果僅供參考；另一方面考慮到設(shè)計(jì)流域面積不足25km2，屬特小流域，而鄰近又無(wú)面積相近的特小流域水文站實(shí)測(cè)資料，故采用《貴州省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)》中專(zhuān)門(mén)用于特小流域洪水計(jì)算的“修訂公式”計(jì)算。在計(jì)算公式的采用中對(duì)公式適用條件進(jìn)行了合理判定，如流域下墊面條件、流域面積、流域幾何特征值θ等，所選擇的公式型式是正確合理的。計(jì)算過(guò)程中公式中各參數(shù)的確定均傾向于偏安全取值，如洪峰徑流系數(shù)、匯流系數(shù)等，所以推求的洪水成果與相應(yīng)頻率的歷史調(diào)查洪水成果比較也是合理的，經(jīng)與 “流量法”成果比較來(lái)看，成果相近稍偏大，也說(shuō)明其屬合理且偏于安全，所以本次計(jì)算采用“雨洪法”成果。

5 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)在進(jìn)行洪水頻率計(jì)算時(shí)廣泛采用的適線法因人的主觀思維使結(jié)果產(chǎn)生差異，其客觀性較差。廣泛應(yīng)用于中國(guó)的設(shè)計(jì)洪水分析研究中的歷史洪水法明顯有助于提高研究結(jié)果的可靠性，但還有必要做進(jìn)一步的討論確定其合理使用的條件和對(duì)其有效性進(jìn)行定量估計(jì)。因此，尋找一種具有良好統(tǒng)計(jì)特性的目標(biāo)參數(shù)估計(jì)方法具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。計(jì)算結(jié)果表明，本文所采用的研究思路是可行的，該方案最大的特點(diǎn)是可以使兩方案的結(jié)果相互參考，提高了最終結(jié)論的可靠性。

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