結(jié)合實(shí)測降雨資料推求無資料地區(qū)洪水方法研究

成麗婷

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

0 引言

推求設(shè)計(jì)洪水的方法很多，結(jié)合山西省產(chǎn)流、匯流特點(diǎn)，暴雨洪水資料條件，人類活動(dòng)狀況及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，由山西省水利廳2010年編制的《山西省水文計(jì)算手冊》[1]（以下簡稱《山西省手冊》）提供了三種方法，分別為根據(jù)流量資料計(jì)算設(shè)計(jì)洪水、根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算設(shè)計(jì)洪水和水文比擬法推求設(shè)計(jì)洪水，依據(jù)涉水工程的規(guī)模、重要性、流域資料條件等，選用不同的方法。第一種方法為有資料地區(qū)的洪水推求方法，后兩種方法為無資料地區(qū)的洪水推求方法。

根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算設(shè)計(jì)洪水的方法，從設(shè)計(jì)暴雨到流域產(chǎn)流計(jì)算再到流域匯流計(jì)算，均采用洪水計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，見圖1。而在實(shí)際工作中，有些地區(qū)雖然無實(shí)測流量資料但是具備實(shí)測降雨資料，本文旨在研究一種結(jié)合實(shí)測降雨資料與洪水計(jì)算模型產(chǎn)匯流計(jì)算方法來推求設(shè)計(jì)洪水的方法，見圖1，并應(yīng)用于西塬湖水庫洪水分析計(jì)算中，以期使洪水計(jì)算結(jié)果更合理。

圖1 洪水計(jì)算流程圖

1 計(jì)算方法

結(jié)合實(shí)測降雨資料與洪水計(jì)算模型產(chǎn)匯流計(jì)算方法來推求設(shè)計(jì)洪水，具體來講，即通過實(shí)測降雨資料分析來替代洪水計(jì)算模型的設(shè)計(jì)暴雨分析，而后利用洪水計(jì)算模型中的產(chǎn)匯流計(jì)算方法推求設(shè)計(jì)洪水。

1）實(shí)測降雨資料分析

收集設(shè)計(jì)斷面長系列逐日降水量及逐時(shí)段降水量資料。

查閱水文年鑒及相關(guān)資料，分析典型年1日降雨與24 h降雨量倍比關(guān)系。通過長系列逐日降水量資料統(tǒng)計(jì)歷年最大1日、最大3日降雨量，并計(jì)算求得歷年最大24 h降雨量。對(duì)最大1日降雨量、最大24 h降雨量、最大3日降雨量分別進(jìn)行頻率分析，獲得設(shè)計(jì)斷面暴雨頻率分析成果。頻率分析采用P-Ⅲ型曲線適線。

選取典型年，利用逐時(shí)段降水量資料，分時(shí)段統(tǒng)計(jì)降水量。

2）產(chǎn)流計(jì)算

流域產(chǎn)流計(jì)算又包括設(shè)計(jì)洪水凈雨深和凈雨過程計(jì)算兩部分。根據(jù)1∶25萬產(chǎn)流地類圖確定產(chǎn)流地類。產(chǎn)流計(jì)算參數(shù)主要為持水度B0、吸收率Sr和導(dǎo)水率Ks。具體計(jì)算方法參見《山西省手冊》7.3節(jié)。

3）匯流計(jì)算

根據(jù)1∶25萬匯流地類圖確定匯流地類。采用綜合瞬時(shí)單位線、推理公式法兩種方法進(jìn)行計(jì)算。綜合瞬時(shí)單位線匯流計(jì)算參數(shù)主要為匯流參數(shù)C1、C2。推理公式法計(jì)算參數(shù)主要為匯流參數(shù)m。具體計(jì)算方法參見《山西省手冊》7.3節(jié)。

2 實(shí)例應(yīng)用

1）工程概況

西塬湖水庫位于運(yùn)城市鹽湖區(qū)，屬涑水河流域。水庫總庫容6 632萬m3，工程任務(wù)為緩洪排洪，兼顧水生態(tài)環(huán)境，水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水設(shè)計(jì)，100年一遇洪水校核，排洪設(shè)施為排洪泵站。

水庫控制流域面積306.37 km2，包括四部分，其一是西塬湖水庫南部山區(qū)片101.54 km2（共有7條山洪溝），其二是西塬湖水庫周邊農(nóng)田片178.56 km2，其三是運(yùn)城市主城區(qū)12.27 km2，其四是西塬湖水庫水面面積14 km2。西塬湖水庫除了接納上述四部分面積的設(shè)計(jì)洪水之外，還要接納來自運(yùn)城市的城市污水10萬m3/d，合計(jì)1.16 m3/s。本論文主要敘述上述四部分面積設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算。

水庫控制流域范圍內(nèi)無水文測站。本次設(shè)計(jì)搜集到運(yùn)城站1954—2013年系列的暴雨資料，1974年山西省水文總站運(yùn)城地區(qū)分站編著的《山西省運(yùn)城地區(qū)水文計(jì)算手冊》（以下簡稱《運(yùn)城手冊》）、《山西省清泉水流量調(diào)查成果》[2]。

2）實(shí)測降雨資料分析

（1）設(shè)計(jì)暴雨分析

查詢水文年鑒及《運(yùn)城手冊》，摘錄了1954年、1981年、1983年、1984年4場降雨，對(duì)比分析了1日降雨量與24 h降雨量，綜合確定運(yùn)城站最大24 h降雨量與最大1日降雨量的折算系數(shù)為1.10。

對(duì)收集的運(yùn)城站1954—2013年共60年逐日降水量資料，統(tǒng)計(jì)歷年最大1日、最大3日降雨量，并計(jì)算求得最大24h降雨量。對(duì)最大1日降雨量、最大24h降雨量、最大3日降雨量分別進(jìn)行頻率分析，采用P-Ⅲ型曲線適線。運(yùn)城站頻率分析成果見表1。

表1 運(yùn)城站暴雨頻率分析成果表

（2）典型年暴雨分析

由于西塬湖水庫排洪泵站規(guī)模較小，連續(xù)暴雨對(duì)工程規(guī)模影響較大，選用典型年暴雨過程進(jìn)行連續(xù)暴雨組合情況下的洪水進(jìn)行分析計(jì)算，為合理確定工程規(guī)模提供水文依據(jù)。

選取典型年的原則:①具有代表性；②對(duì)工程不利；③暴雨量級(jí)與設(shè)計(jì)頻率比較接近。根據(jù)以上原則選取了1982年作為典型年，1982年汛期共有4次較大量級(jí)的暴雨，場次暴雨間隔時(shí)間分別為4天、9天和13天；場（次）降水量分別為75.1mm、259.2mm、41.1mm和45.0mm；每次暴雨的持續(xù)時(shí)間分別為2天、6天、3天和4天。詳見表2。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1982年最大3日降雨量為188 mm，自7月31日至8月2日。在7月31日之前，6月份降水74.2 mm，7月份降水159 mm。8月2日之后，8月4日、8月12日-8月13日、8月28日-9月3日分別降雨18.6 mm、40.6 mm、57.1 mm。

1982年最大3日降雨量為188 mm，相當(dāng)于50年一遇最大3日降雨量。1954年-2013年實(shí)測降雨系列中無相當(dāng)于100年一遇洪水的典型年，對(duì)1982年最大3日降雨量進(jìn)行放大處理，放大倍比為1.07。

表2 西塬湖水庫流域1982年典型暴雨過程表

3）產(chǎn)流計(jì)算

《山西省手冊》流域產(chǎn)流計(jì)算中的設(shè)計(jì)洪水凈雨深計(jì)算采用雙曲正切模型，涉及產(chǎn)流計(jì)算參數(shù)主要為持水度B0、吸收率Sr和導(dǎo)水率Ks。吸收率Sr和導(dǎo)水率Ks，依據(jù)產(chǎn)流地類取值。B0為流域前期土濕標(biāo)志（流域持水度），考慮到7月31日之前6、7月份降水較多達(dá)到233.2 mm，故計(jì)算7月31日之后降雨產(chǎn)流時(shí)，B0取 0.9。

整理1982年運(yùn)城站降水摘錄信息，依據(jù)《山西省手冊》產(chǎn)流計(jì)算方法逐時(shí)段計(jì)算，求得50年一遇、100年一遇最大3日及最大3日之后連續(xù)降雨產(chǎn)生的洪量。

4）匯流計(jì)算

匯流計(jì)算針對(duì)不同的區(qū)域采用不同的方法，山區(qū)片采用綜合瞬時(shí)單位線法；農(nóng)田片依照暴雨3日排除計(jì)入，城市片依照暴雨1日排除計(jì)入，另疊加基流后，計(jì)算所得的各場次降雨50年一遇、100年一遇洪水過程線。

5）設(shè)計(jì)洪水成果合理性分析

本文還利用2種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)斷面洪水推求:一是利用《山西省手冊》，所有暴雨參數(shù)從《山西省手冊》附圖、附件查得；二是利用《運(yùn)城手冊》進(jìn)行計(jì)算。將上述2種方法洪水結(jié)果與本次成果進(jìn)行比較，分析成果合理性。

（1）設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算結(jié)果對(duì)比

《山西省手冊》設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算是通過等值線查讀獲取定點(diǎn)的各種歷時(shí)暴雨均值與變差系數(shù)；《運(yùn)城手冊》與本次計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算是通過實(shí)測資料進(jìn)行頻率分析計(jì)算求得。最大24 h暴雨均值及Cv取值及各頻率最大24 h暴雨值見表3，表中第2列數(shù)值為查閱《運(yùn)城手冊》附圖所得。由表3可見不同方法參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果相接近，且與《運(yùn)城手冊》等值線圖結(jié)果一致。表4列出最大24 h暴雨及最大3日不同頻率設(shè)計(jì)暴雨結(jié)果對(duì)比，不同方法計(jì)算結(jié)果基本一致。

表3 最大24 h點(diǎn)暴雨計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

表4 設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨計(jì)算結(jié)果對(duì)比表 單位：萬m3

（2）設(shè)計(jì)洪量計(jì)算結(jié)果對(duì)比

采用《山西省手冊》計(jì)算得到的50年一遇設(shè)計(jì)洪量為1 630萬m3，100年一遇設(shè)計(jì)洪量為2 063萬m3，設(shè)計(jì)洪量偏小，且洪水歷時(shí)短暫，僅24 h洪量，無最大3日洪量。

考慮到工程安全性，長歷時(shí)連續(xù)降雨對(duì)工程防洪影響比較大，本次設(shè)計(jì)選取了1982年作為典型年進(jìn)行洪水分析，分別利用《運(yùn)城手冊》與本文計(jì)算方法計(jì)算。為了進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)洪水成果的合理性，同時(shí)計(jì)算求得設(shè)計(jì)年徑流與兩種方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見表5。

由表5可知，兩種方法中，《運(yùn)城手冊》計(jì)算結(jié)果偏大，這是因?yàn)椤哆\(yùn)城手冊》產(chǎn)流計(jì)算采用的是運(yùn)城地區(qū)暴雨徑流關(guān)系，暴雨量一定，暴雨時(shí)段越長，徑流系數(shù)越小，1982年自7月28日至8月2日共6日降雨259.2 mm，參照24 h徑流系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，成果偏大?！哆\(yùn)城手冊》計(jì)算所得自7月28日至8月2日共6日降雨產(chǎn)生的100年一遇洪量為4 670萬m3，50年一遇洪量為4 339萬m3，分別大于100年一遇、50年一遇的設(shè)計(jì)年徑流，不符合同頻率的設(shè)計(jì)洪量小于設(shè)計(jì)年徑流的規(guī)律。

表5 設(shè)計(jì)洪量計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

本次計(jì)算典型年自7月31日至8月2日共3日降雨產(chǎn)生的100年一遇洪量為3 201萬m3，50年一遇洪量為2 907萬m3，基本符合同頻率的設(shè)計(jì)洪量小于設(shè)計(jì)年徑流的規(guī)律。雖然僅計(jì)算最大3日的洪量，但是在洪量計(jì)算時(shí)參數(shù)B0取0.9已經(jīng)考慮了前期連續(xù)降雨對(duì)產(chǎn)流的影響。

綜上所述，一方面，本次產(chǎn)流計(jì)算采用《山西省手冊》中的雙曲正切模型，方法可靠；另一方面，考慮到最大3 d降雨已基本上能夠反映集中降雨對(duì)產(chǎn)流的影響，同時(shí)又兼顧前期連續(xù)降雨對(duì)產(chǎn)流的影響，洪水成果合理。

3 結(jié)論

在洪水計(jì)算中，有些地區(qū)無實(shí)測流量資料但是具備實(shí)測降雨資料，可將實(shí)測降雨分析成果與《山西省水文計(jì)算手冊》中無資料地區(qū)洪水計(jì)算模型中產(chǎn)匯流計(jì)算方法相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)典型年連續(xù)降雨產(chǎn)生洪水的分析，從而為合理確定工程規(guī)模提供技術(shù)支撐。