九寨溝流域設(shè)計洪峰流量與面積關(guān)系指數(shù)的研究

王春華

（四川省阿壩州水文水資源勘測局，四川 汶川 623000）

2017年8月8日21時19分46秒，四川省九寨溝縣發(fā)生7.0級地震，震中位于九寨溝景區(qū)的核心區(qū)域，景區(qū)內(nèi)的道路破壞嚴重。九寨溝流域災(zāi)后恢復(fù)重建涉水工程，設(shè)計洪水是根據(jù)參證站設(shè)計洪。九寨溝流域森林資源豐富，河流濕地多、湖泊密布，存在地下暗河，流域水系自身的蓄水調(diào)節(jié)能力較強。根據(jù)九寨溝流域內(nèi)的水文站實測洪峰流量資料，對該流域洪峰流量與面積關(guān)系指數(shù)進行初步研究。

1 九寨溝流域概況

1.1 自然地理

九寨溝位于四川省西北部的阿壩藏族羌族自治州九寨溝縣，發(fā)源于九寨溝縣漳扎鎮(zhèn)南岷山尕爾納峰則查洼溝。九寨溝屬長江流域嘉陵江水系的上游，系白河右岸支流，白水江二級支流。九寨溝由南向北匯入白河，白河與黑河在九寨溝縣兩河口匯合后稱為白水江，白水江在甘肅文縣境內(nèi)匯入白龍江，白龍江在廣元昭化鎮(zhèn)注入嘉陵江[1]。

九寨溝處于青藏高原東北邊緣向四川盆地的過渡地帶，地貌上屬岷山山脈的深切割高山峽谷區(qū)，地勢北低南高，海拔高度由1996 m（九寨溝口）至4764 m（尕爾納峰），南北相對高差達2768 m。九寨溝集水面積660 km2，植被覆蓋率85.5%，森林覆蓋率63.5%。九寨溝下段分為樹正溝和扎如溝，沿樹正溝而上諾日朗又分為日則溝和則查洼溝，平面呈“Y”字型展布，溝長約50 km。

1.2 洪水特性

九寨溝流域森林資源豐富，河流濕地多、湖泊密布，流域水系自身的蓄水調(diào)節(jié)能力較強，匯流時間長，河流水位變幅小。根據(jù)2004年～2017年溝口站的水位記錄顯示，水位年變幅在0.26 m～0.75 m，洪枯水變化不大，一次洪水持續(xù)時間較長，漲退率均小，峰形圓滑近似“鈴”形。流域最大洪峰流量均出現(xiàn)于5月～10月，主要發(fā)生于9、10月，個別年份出現(xiàn)在7月和8月的。據(jù)實測洪水資料分析，洪水過程多為峰小量大的肥胖單峰形。洪水漲落過程緩慢。一次洪水過程歷時一般20 d～30 d，洪峰峰項歷時5 d～10 d，多數(shù)為單峰過程。洪水的年際變化不大[2]。

1.3 九寨溝流域流量站網(wǎng)分布

為了在時間上掌握九寨溝流域的水資源量和水環(huán)境年內(nèi)變化和年際間的變化規(guī)律，在空間上掌握該流域水資源量和水環(huán)境面上的變化和不同高度的變化規(guī)律，分析生態(tài)區(qū)域水文特性，在九寨溝流域設(shè)立6個水文站。九寨溝流域洪峰流量與面積關(guān)系指數(shù)的研究選取控制較好、收集資料較長的4個水文站，具體信息見表1[3]。

表1 九寨溝流域水文站點信息表

2 流域設(shè)計洪峰流量與面積關(guān)系指數(shù)分析

2.1 分析方法及公式

根據(jù)溝口、黑角橋、平安橋、孔雀河四個流量站歷年實測的最大洪峰流量及各站組成連序系列進行頻率計算。通過數(shù)學(xué)期望公式，計算實測系列的經(jīng)驗頻率，采用矩法計算洪水系列統(tǒng)計參數(shù)的初值，P-III型理論頻率曲線進行適線，目估適線法確定統(tǒng)計參數(shù)并推求設(shè)計值。在同頻率下對設(shè)計洪峰流量與面積關(guān)系指數(shù)研究分析[4]，由式（1）推求設(shè)計洪峰流量與面積關(guān)系指數(shù)，見式（2）：

式中：Qx、Qα為設(shè)計斷面及參證站設(shè)計洪峰流量（m3/s）；Fx、Fα為設(shè)計斷面及參證站集水面積（m2）；n為面積關(guān)系指數(shù)。

2.2 面積關(guān)系指數(shù)

對溝口、黑角橋、平安橋、孔雀河四個水文站20年一遇（P=5%）的設(shè)計洪峰流量與對應(yīng)的集水面積進行分析。

2.2.1 九寨溝流域分析

將四個水文站的設(shè)計洪峰流量與對應(yīng)的集水面積取對數(shù)建立直線相關(guān)關(guān)系，繪制相關(guān)關(guān)系圖，見圖1。

圖1 設(shè)計洪峰流量與對應(yīng)的集水面積關(guān)系

由圖1可知，斜率為0.51，即九寨溝流域面積關(guān)系指數(shù)為0.51，相關(guān)系數(shù)為0.73，其相關(guān)程度不高，與九寨溝流域特性、下墊面、資料長度等因素有關(guān)。

2.2.2 相鄰站點分析

由于九寨溝流域內(nèi)河流濕地、湖泊密布，地下水系發(fā)達，分析的綜合面積關(guān)系指數(shù)相關(guān)程度不高。以九寨溝流域四個水文站相鄰站點對面積關(guān)系指數(shù)進行分析研究，成果如下：

1）九寨溝流域溝口站—黑角橋站面積關(guān)系指數(shù)n1=1.558；

2）九寨溝流域黑角橋站—平安橋站面積關(guān)系指數(shù)n2=6.579；

3）九寨溝流域平安橋站—孔雀河站面積關(guān)系指數(shù)n3=0.302。

3 成果分析

1）洪峰流量與面積關(guān)系指數(shù)受地理位置、降水分布、湖泊濕地的影響，九寨溝流域的不同河段，流域面積關(guān)系指數(shù)相差較大，溝口站—黑角橋站—平安橋站面積關(guān)系指數(shù)比經(jīng)驗面積關(guān)系指數(shù)大，特別是黑角橋站—平安橋站的面積關(guān)系指數(shù)n2要大許多。根據(jù)實地勘察，黑角橋站到平安橋站之間有九寨溝流域的第二大湖泊犀牛海和眾多的湖泊，有較強的蓄水調(diào)節(jié)能力。

2）平安橋站—孔雀河站之間雖有較大的湖泊鏡海等，起到蓄水調(diào)節(jié)的作用，但面積關(guān)系指數(shù)n3比經(jīng)驗面積關(guān)系指數(shù)小很多。經(jīng)過九寨溝流域的實地勘察，長海—五彩池—上季節(jié)?！录竟?jié)海和下季節(jié)海以下河道長時間斷流或者基本不過流，表明存在地下暗河，結(jié)合平安橋站—孔雀河站面積關(guān)系指數(shù)分析，地下暗河的出口在孔雀河站以上河段。

4 結(jié)語

結(jié)合九寨溝自然地理條件、洪水特征和流量站網(wǎng)分布，選取溝口、黑角橋、平安橋、孔雀河四個站歷年實測的最大洪峰流量系列與集水面積數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)期望公式，計算實測系列的經(jīng)驗頻率，P-III型理論頻率曲線進行適線，目估適線法確定統(tǒng)計參數(shù)并推求設(shè)計洪峰流量，繪制設(shè)計洪峰流量與面積相關(guān)關(guān)系圖。對其進行分析可知：洪峰流量與面積關(guān)系指數(shù)受地理位置、降水分布、湖泊濕地的影響，九寨溝流域的不同河段，流域面積關(guān)系指數(shù)相差很大。九寨溝流域設(shè)計洪峰流量與面積關(guān)系指數(shù)的研究可為災(zāi)后恢復(fù)重建的涉水工程用面積比擬法推求工程位置的設(shè)計洪水，特別是在日則溝河段推求設(shè)計洪水時，面積關(guān)系指數(shù)的相關(guān)分析具有參考價值。