聶大鵬
(遼寧省營(yíng)口水文局 ,遼寧 營(yíng)口 115003)
遼寧省對(duì)流域面積小于300km2,劃分為小流域。小流域設(shè)計(jì)洪水經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由計(jì)算洪峰流量到計(jì)算洪量的發(fā)展過(guò)程,計(jì)算方法很多,歸納為推理公式法[1- 3]、經(jīng)驗(yàn)公式法[4- 5]、綜合單位線法[6- 8]、水文模型等方法[9- 15]。在小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí),主要依據(jù)推理公式,推理公式從洪水物理成因角度推算洪水最大流量,該方法通過(guò)圖解法推求洪峰流量Qm、τ時(shí),需要計(jì)算ht/t~t過(guò)程線、設(shè)計(jì)流域的匯流系數(shù),過(guò)程比較繁瑣、復(fù)雜,在實(shí)際應(yīng)用中需要專業(yè)人員進(jìn)行計(jì)算,且受資料條件限制,在遼寧省未被采用。為簡(jiǎn)化推理公式,使其更便于應(yīng)用,結(jié)合遼寧省小流域資料特性,對(duì)推理公式中匯流歷時(shí)、最大凈雨量的確定進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化,同時(shí)增加了洪量計(jì)算、洪水過(guò)程線設(shè)計(jì)部分,形成了適合于遼寧省小流域特點(diǎn)的設(shè)計(jì)洪水新方法。在簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上,結(jié)合遼寧省79座小型水庫(kù)的復(fù)核數(shù)據(jù),對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證。研究成果對(duì)于遼寧省無(wú)資料地區(qū)小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算具有重要的參考價(jià)值。
對(duì)于小流域,可以假定流域產(chǎn)流強(qiáng)度在時(shí)間、空間上都均勻分布,推理公式的洪峰流量計(jì)算公式可表達(dá)為:
(1)
式中,Qm—設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s;hτ—相應(yīng)于匯流歷時(shí)τ時(shí)段內(nèi)的最大凈雨,mm;τ—匯流時(shí)間,h;F—設(shè)計(jì)小流域的匯水面積,km2。
當(dāng)tc≤τ時(shí)流域部分匯流,計(jì)算方程為:
(2)
式中,hR—產(chǎn)流歷時(shí)內(nèi)的徑流量,mm。而方程(1)為全面匯流時(shí)即tc>τ時(shí)洪峰流量計(jì)算方程。有的省份通過(guò)圖解法分別繪制Q~t曲線,兩曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Q、t,即為所求Qm、τ。而用圖解法推求洪峰流量Qm、τ時(shí),需要計(jì)算ht/t~t過(guò)程線、設(shè)計(jì)流域的匯流系數(shù)m,過(guò)程比較繁瑣,且受資料條件限制,在遼寧地區(qū)一直未被采用。
在保證計(jì)算精度前提下,為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,在應(yīng)用推理公式時(shí),遼寧省引入了徑流系數(shù)參量,徑流系數(shù)是指某一時(shí)段的徑流深R與相應(yīng)時(shí)段內(nèi)流域平均降雨深度P之比值。用τ歷時(shí)面雨量強(qiáng)度、洪峰徑流系數(shù)(漲洪時(shí)段的洪量與τ歷時(shí)累積雨量比值),計(jì)算hτ,將徑流系數(shù)代入到方程(1)中,得到的簡(jiǎn)化方程為:
hτ=ψ·P面τ
(3)
(4)
令:
(5)
則方程可進(jìn)步簡(jiǎn)化為:
Qm=0.278·ψ·i面τ·F
(6)
式中,ψ—設(shè)計(jì)洪峰徑流系數(shù);P面τ—匯流歷時(shí)τ內(nèi)的面降雨量,mm;i面τ—匯流歷時(shí)τ內(nèi)的降雨強(qiáng)度,mm/h。
推理公式對(duì)于無(wú)資料地區(qū),無(wú)法采用統(tǒng)計(jì)方法用實(shí)測(cè)洪水系列計(jì)算設(shè)計(jì)洪量。設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水有一個(gè)基本假定條件,即雨洪同頻。本次洪量計(jì)算采用徑流系數(shù)法。
WP=0.1·aP·P面P·F
(7)
式中,WP—設(shè)計(jì)洪量,m3;aP—設(shè)計(jì)頻率P下的徑流系數(shù);P面P—設(shè)計(jì)面降雨量,mm。
從上述方程中可以看出,簡(jiǎn)化的推理公式方法需要計(jì)算三個(gè)參數(shù),第一參數(shù)為匯流時(shí)間τ,第二個(gè)參數(shù)為洪峰徑流系數(shù)ψ,第三個(gè)參數(shù)為洪量徑流系數(shù)a。
產(chǎn)匯流分區(qū)根據(jù)產(chǎn)匯流關(guān)系區(qū)域相似性,在六大一級(jí)區(qū)水文分區(qū)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步進(jìn)行二級(jí)區(qū)的劃分。產(chǎn)匯流分區(qū)主要綜合考慮水文條件、下墊面條件相似原則,在《遼寧省(無(wú)資料地區(qū))設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》(98版)水文分區(qū)的基礎(chǔ)上,將產(chǎn)匯流關(guān)系一致的集水區(qū)域劃分成一個(gè)產(chǎn)匯流分區(qū),并根據(jù)流域邊界進(jìn)行調(diào)整修正,最終劃分成本次產(chǎn)匯流分區(qū),共計(jì)18個(gè),如圖1所示。
圖1 遼寧省水文二級(jí)分區(qū)
(8)
表1 遼寧省各水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)x、y
洪峰徑流系數(shù)都是用徑流深與降雨量比值,不同的是φ對(duì)應(yīng)的是τ歷時(shí)內(nèi)徑流深與τ歷時(shí)內(nèi)降雨量比值。由于匯流有2種:全面匯流、部分匯流。因此,φ值計(jì)算分為4種情況:①全面產(chǎn)流、全面匯流;②全面產(chǎn)流、部分匯流;③部分產(chǎn)流、全面匯流;④部分產(chǎn)流、部分匯流。結(jié)合遼寧省75個(gè)小流域站點(diǎn)實(shí)測(cè)洪水?dāng)?shù)據(jù),對(duì)其洪峰徑流系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,并結(jié)合P-Ⅲ曲線進(jìn)行排頻分析,遼寧省各水文分區(qū)的設(shè)計(jì)洪峰徑流系數(shù)φ計(jì)算結(jié)果見表2。
表2 遼寧省設(shè)計(jì)洪峰徑流系數(shù)φ成果表
選用遼寧省流域面積小于1000km2、流域內(nèi)無(wú)控制性水利工程、產(chǎn)匯流關(guān)系較好的水文站。從選定水文站中挑選量大、峰大、過(guò)程線較好的洪水900場(chǎng),計(jì)算每場(chǎng)洪水的α、φ。將場(chǎng)次洪水計(jì)算的α、φ按水文站所在分區(qū)點(diǎn)繪α~φ關(guān)系圖,如圖1所示。以α為橫坐標(biāo)、φ為縱坐標(biāo),繪制α~φ關(guān)系線。結(jié)合表2中不同頻率下的φ值推求對(duì)應(yīng)頻率下的洪量徑流系數(shù)a值。
圖1 遼寧省水文分區(qū)α~φ綜合關(guān)系
設(shè)計(jì)參數(shù)是否合理需要進(jìn)行驗(yàn)證,將通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算的成果與能夠代表實(shí)際發(fā)生洪水量值進(jìn)行對(duì)比,當(dāng)對(duì)比結(jié)果(誤差)在允許誤差范圍內(nèi),說(shuō)明設(shè)計(jì)成果合理;反之,需要調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù),直到對(duì)比誤差在允許范圍內(nèi)。本文將這種能夠代表實(shí)際發(fā)生洪水量值,稱為標(biāo)準(zhǔn)值。驗(yàn)證中,可以采用各種手段利用直接或間接實(shí)測(cè)資料確定標(biāo)準(zhǔn)值,對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行驗(yàn)證。
(1)水文(庫(kù))站資料。選用代表水文(庫(kù))站系列資料,用經(jīng)驗(yàn)頻率分析后的洪水特征值作為標(biāo)準(zhǔn)值。
頻率計(jì)算依據(jù)SL44—2006《水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》,從水文站資料中逐年選取一個(gè)最大洪量和固定時(shí)段最大洪水總量,組成洪峰流量和洪量系列,估算出洪峰流量的均值和Cv值、固定時(shí)段洪量的均值和Cv值。
洪水特征值選用洪峰流量、若干時(shí)段洪水量。洪量時(shí)段確定,結(jié)合遼寧省小流域洪水特性分析結(jié)果,反映我省中小流域工程調(diào)洪控制時(shí)段內(nèi)的洪水過(guò)程,又保證流域洪水過(guò)程的完整性,洪量的固定時(shí)段選定為24h。
(2)場(chǎng)次暴雨洪水。場(chǎng)次暴雨洪水的重現(xiàn)期經(jīng)認(rèn)證后,其資料可用于設(shè)計(jì)成果的驗(yàn)證,可選擇特大暴雨洪水用于驗(yàn)證。
(3)以往成果。有的已建或在建水利工程洪水設(shè)計(jì)成果,經(jīng)實(shí)測(cè)資料分析計(jì)算,并通過(guò)專業(yè)審查,也可作為驗(yàn)證依據(jù)。
小流域水利工程設(shè)計(jì)時(shí),主要考慮中、低頻率設(shè)計(jì)洪水,因此,驗(yàn)證時(shí)主要針對(duì)頻率0.1%、1%、2%、5%計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)反復(fù)分析,設(shè)計(jì)成果與標(biāo)準(zhǔn)值允許誤差在±20%內(nèi),認(rèn)為設(shè)計(jì)成果合理。
小流域驗(yàn)證設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算方法是簡(jiǎn)化推理公式法,與傳統(tǒng)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)誤差,檢驗(yàn)使用參數(shù)的合理性。在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的水文站中,按水文分區(qū)分布情況,選取面積1000km2以下、系列較長(zhǎng)、受水庫(kù)影響較小且資料精度較高的水文站、水庫(kù)(共45個(gè))作為代表站進(jìn)行驗(yàn)證分析。驗(yàn)證方法是查取水文站所在水文分區(qū)相應(yīng)參數(shù),用簡(jiǎn)化的推理公式法進(jìn)行計(jì)算值計(jì)算;驗(yàn)證內(nèi)容選擇了比較常用的設(shè)計(jì)洪峰流量作為驗(yàn)證對(duì)象;重現(xiàn)期選擇了1000、100、50、20年4個(gè)量級(jí)進(jìn)行分析;具體驗(yàn)證是把相應(yīng)重現(xiàn)期的標(biāo)準(zhǔn)值與計(jì)算值進(jìn)行比較,計(jì)算相對(duì)誤差,評(píng)價(jià)結(jié)果的精度。驗(yàn)證結(jié)果比較見表3—4。
表3 小流域洪峰驗(yàn)證結(jié)果 單位:%
(續(xù)表)
注:P1000、P100、P50、P20分別對(duì)應(yīng)1000、100、50、20年4個(gè)量級(jí)頻率
由表3和表4可知,在小流域的45個(gè)驗(yàn)證站中,洪峰流量1000、100、50、20年重現(xiàn)期誤差小于±20%的站數(shù)分別為66.7%、77.8%、80.0%、75.6%。無(wú)系統(tǒng)偏差,方法計(jì)算結(jié)果合理性較高,在小流域79個(gè)水庫(kù)中,對(duì)于設(shè)計(jì)洪峰,簡(jiǎn)化計(jì)算值較水庫(kù)設(shè)計(jì)成果采用值偏少的占74.7%。其中,偏少在20%以內(nèi)的占45.6%,偏少在10%以內(nèi)的占19.0%。對(duì)于校核洪峰,本次計(jì)算值較水庫(kù)采用值偏少的占73.1%,其中,偏少在20%以內(nèi)的占38.5%、偏少在10%以內(nèi)的占14.1%。
表4 小流域設(shè)計(jì)洪峰不同誤差等級(jí)的站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果
注:P表示為設(shè)計(jì)頻率,DQ表示為誤差。
洪量驗(yàn)證同樣重現(xiàn)期選擇了1000、100、50、20年4個(gè)量級(jí)進(jìn)行分析;具體驗(yàn)證是把相應(yīng)重現(xiàn)期的標(biāo)準(zhǔn)值與計(jì)算值進(jìn)行比較,計(jì)算相對(duì)誤差,評(píng)價(jià)結(jié)果的精度。驗(yàn)證結(jié)果比較見表5—6。
表5 小流域洪量驗(yàn)證結(jié)果 單位:%
(續(xù)表)
表6 小流域設(shè)計(jì)洪量不同誤差等級(jí)的站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果
注:P表示為設(shè)計(jì)頻率,DQ表示為誤差。
由表5和表6可知:小流域的45個(gè)設(shè)計(jì)洪量驗(yàn)證站中,3日洪量1000、100、50、20年重現(xiàn)期誤差小于±20%的驗(yàn)證站站數(shù)分別為75.6%、86.7%、80.0%、86.7%。無(wú)系統(tǒng)偏差,方法計(jì)算結(jié)果較好。在小流域的79個(gè)水庫(kù)中,對(duì)于設(shè)計(jì)3日洪量,本次計(jì)算值較水庫(kù)采用值偏少的占74.7%。其中,偏少在20%以內(nèi)的占53.2%,偏少在10%以內(nèi)的占26.6%。對(duì)于校核3日洪量,本次計(jì)算值較水庫(kù)采用值偏少的占73.1%。其中,偏少在20%以內(nèi)的占46.2%、偏少在10%以內(nèi)的占26.9%。
(1)本文簡(jiǎn)化了小流域推理公式,并增加設(shè)計(jì)洪量計(jì)算簡(jiǎn)易方法,方法簡(jiǎn)單且實(shí)用。在實(shí)際應(yīng)用中,結(jié)合設(shè)計(jì)流域所在水文分區(qū),采用確定的三個(gè)參數(shù)值不同分區(qū)值,可快速實(shí)現(xiàn)無(wú)資料地區(qū)小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。
(2)采用地域尺度、時(shí)間尺度、防洪提防標(biāo)準(zhǔn)多種方式對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行合理性分析,用標(biāo)準(zhǔn)值為控制,可對(duì)設(shè)計(jì)洪水成果進(jìn)行驗(yàn)證。