淺析歷史調(diào)查洪水對洪水峰量頻率計算的影響

(四川省成都水文水資源勘測局，四川 溫江，611130)

1 引言

洪水是指由于流域內(nèi)降雨或融雪，導(dǎo)致江河水量迅猛增加及水位急劇上漲的一種水文現(xiàn)象。水文要素的變化，如降水量、洪峰流量和徑流量等，是遵循一定的統(tǒng)計規(guī)律的，其出現(xiàn)可能性的大小或出現(xiàn)的頻繁程度，在數(shù)理統(tǒng)計學(xué)上稱為“概率”，在水文學(xué)上則習(xí)慣稱為“頻率”，屬于洪水要素方面的，稱做“洪水頻率”。其中，洪水峰量頻率的分析計算是水文工作的一項重要內(nèi)容，是水利工程規(guī)劃設(shè)計的重要依據(jù)，對防洪安全有至關(guān)重要的作用。

洪水峰量頻率計算成果的可信程度與所用資料的代表性密切相關(guān)，而資料的代表性又主要受到資料系列長短的制約。目前，我國河流的實測流量資料一般都不長，因此，人們總是盡可能的去尋找歷史洪水，加入到洪水流量系列資料中進(jìn)行頻率計算，以提高成果的精度和可靠度。

本文通過實例，從頻率曲線參數(shù)、指定頻率設(shè)計洪水值的變化及其穩(wěn)定性，分析在實測洪水流量系列中加入歷史調(diào)查洪水后對洪峰流量頻率分析計算的影響。

2 實例分析

主要包括三部分內(nèi)容：洪水系列及其代表性、洪水系列頻率分析和成果綜合分析。

2.1 洪水系列及其代表性

本次采用岷江支流白沙河楊柳坪水文站作為設(shè)計代表站，該站1954年設(shè)立，控制流域面積363km2，該流域處于四川盆地西北邊緣，水系呈羽毛狀，洪水主要由龍門山暴雨區(qū)暴雨形成，洪水漲率快，暴漲暴跌，屬山溪性河流。下游為都江堰市城區(qū)，是都江堰市重要的防洪依據(jù)站，對都江堰灌區(qū)的防洪和灌溉起著非常重要的作用。

該站有1954-2018年65年的實測年最大洪水流量資料，資料精度可靠，代表性強(qiáng)。根據(jù)《四川省洪水調(diào)查資料》，該站有1902年和1923年歷史調(diào)查洪水，其洪峰流量、可靠程度如表1所示。

表1 楊柳坪水文站歷史調(diào)查洪水情況

2.2 洪水頻率分析計算

由于該站有實測洪水資料，可采用頻率適線法推求出洪水特征值(均值、變差系數(shù)Cv、偏差系數(shù)Cs)后，計算出指定頻率的洪峰流量，主要內(nèi)容包括：經(jīng)驗頻率估算、矩法計算洪水統(tǒng)計參數(shù)和洪水頻率分析。

2.2.1 經(jīng)驗頻率估算

對于歷史洪水，在調(diào)查考證期N年中有特大洪水a(chǎn)個，按大小順序排位第M項的經(jīng)驗頻率可按以下公式計算：

對于實測洪水，在n項連序洪水系列內(nèi)，按大小順序排位第m項的經(jīng)驗頻率可按下公式計算：

對于不連續(xù)系列，在調(diào)查考驗期N年中有特大洪水a(chǎn)個，其中b個發(fā)生在n項連續(xù)系列內(nèi)，按大小序列排位第m項的經(jīng)驗頻率可按以下公式計算：

2.2.2 矩法計算洪水統(tǒng)計參數(shù)

由n年實測洪水系列和a個歷史洪水及實測特大洪水資料組成的系列，洪水理論頻率曲線的均值、變差系數(shù)Cv可分別按下列公式計算：

2.2.3 洪水頻率分析

本次分析計算中，主要參考河段100余年的歷史記載資料以及歷史洪水調(diào)查資料，確定歷史洪水重現(xiàn)期。根據(jù)該水文站的資料系列，采用五種不同系列分別計算洪水頻率分析。

系列一：楊柳坪水文站1954-2018年65年實測洪水流量資料；

系列二：假定楊柳坪水文站有1954-2000年47年實測洪水流量資料；

系列三：楊柳坪水文站1954-2018年65年實測洪水流量資料加歷史洪水資料，1902年洪水、重現(xiàn)期為117a、洪峰流量2090m3/s，1923年洪水、重現(xiàn)期為96a、洪峰流量1700m3/s；

系列四：楊柳坪水文站1954-2018年65年實測洪水流量資料加歷史洪水資料，假定1902年洪水、重現(xiàn)期為100a、洪峰流量2090m3/s；1923年洪水、重現(xiàn)期為50a、洪峰流量1700m3/s；

系列五：楊柳坪水文站1954-2018年65年實測洪水流量資料加歷史洪水資料，假定1902年洪水、重現(xiàn)期為117a、洪峰流量1800m3/s，1923年洪水、重現(xiàn)期為96a、洪峰流量1600m3/s。

根據(jù)各系列資料進(jìn)行P～Ⅲ型曲線適線，頻率分析及適線成果見表2及圖1-圖5。

表2 楊柳坪水文站洪水頻率分析計算成果

圖1 楊柳坪水文站年最大流量頻率曲線(系列一)

圖2 楊柳坪水文站年最大流量頻率曲線(系列二)

圖3 楊柳坪水文站年最大流量頻率曲線(系列三)

圖4 楊柳坪水文站年最大流量頻率曲線(系列四)

圖5 楊柳坪水文站年最大流量頻率曲線(系列五)

2.3 成果綜合分析

表3為楊柳坪水文站系列設(shè)計洪水成果對比，從表3可以看出：

(1)系列二比系列一的各頻率洪水設(shè)計值偏小2.6%～5.5%，系列二比系列一的實測洪水資料系列年限短，代表性較差，洪水頻率計算成果的精度和穩(wěn)定性相對較差；

(2)系列三與系列一對比分析可知，加入歷史調(diào)查洪水后，延長了資料系列，均值、Cv值和各頻率洪水設(shè)計值增大，系列三比系列一的各頻率洪水設(shè)計值增大6.0%～10.5%，其中100年一遇洪水偏大9.6%，200年一遇洪水偏大10.4%，相應(yīng)頻率洪水的設(shè)計值越大，相對誤差就越大，加入歷史洪水的計算成果更接近設(shè)計準(zhǔn)確值；

(3)系列四比系列三的各頻率洪水設(shè)計值偏大0.8%～1.6%，說明歷史調(diào)查洪水的重現(xiàn)期對計算成果的影響較??；

(4)系列五比系列三的各頻率洪水設(shè)計值偏小4.1%～8.2%，其中100年一遇洪水偏小7.4%，200年一遇洪水偏小8.2%，說明歷史調(diào)查洪水洪峰流量的精度對計算成果的影響較大。

表3 楊柳坪水文站各系列設(shè)計洪水成果對比

3 結(jié)論和建議

通過上述實例的對比分析可知，洪水資料系列的長度影響洪水頻率計算成果的精度和穩(wěn)定性，在實測洪水系列中加入歷史調(diào)查洪水可以延長資料系列，減少誤差，能夠合理地確定洪水統(tǒng)計參數(shù)，提高洪水峰量頻率分析計算成果的精度和可靠度。

歷史調(diào)查洪水的重現(xiàn)期對洪水峰量頻率計算結(jié)果有一定的影響，但影響較小，仍能有效提高成果的準(zhǔn)確度；歷史調(diào)查洪水的洪峰流量值對洪水頻率計算結(jié)果影響較大，更應(yīng)注意洪峰流量值的誤差。因此，在今后水文工作中，調(diào)查歷史洪水的時候，要盡可能準(zhǔn)確地確定洪水的重現(xiàn)期，減少重現(xiàn)期帶來的誤差；在查明洪痕、糙率及河道變化等情況時一定要認(rèn)真仔細(xì)，踏勘現(xiàn)場調(diào)查的同時也要搜集歷史文獻(xiàn)等資料，選用合理計算方法，注重提高歷史洪水洪峰流量值的可靠度。調(diào)查歷史洪水是收集水文資料的重要方法之一，可以彌補(bǔ)水文站或流域面上的水文資料不足，要盡可能多地收集和積累。

洪水峰量頻率計算成果在水利行業(yè)有廣泛的應(yīng)用，是修建橋梁、大壩、堤防等水利工程的重要依據(jù)，計算成果偏大，工程施工標(biāo)準(zhǔn)就會提高，會造成人力、財力、物力的浪費(fèi)；計算成果偏小，施工標(biāo)準(zhǔn)就會降低，直接影響工程的質(zhì)量和安全，影響防洪防汛安全。因此，做好歷史洪水調(diào)查工作，提高成果合理性至關(guān)重要。