無資料小流域水庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法分析

李增國 張楠 張振杰 郭玲梅

摘要：水庫設(shè)計(jì)洪水成果對于水庫規(guī)模的確定和泄洪設(shè)施的布置至關(guān)重要。針對無資料小流域地區(qū)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法的結(jié)果與流域?qū)嶋H暴雨洪水特性出入較大的問題，提出了實(shí)測暴雨移置法，在充分分析區(qū)域暴雨洪水特性基礎(chǔ)上，利用鄰近暴雨實(shí)測資料推求水庫設(shè)計(jì)洪水。以云南省臨滄市某水庫工程為例，使用暴雨移置法推求得該水庫66 a一遇洪水為96.5 m3/s，與洪水調(diào)查結(jié)果吻合良好。

關(guān)鍵詞：洪水計(jì)算;鄰近暴雨實(shí)測資料;暴雨移置法;小流域;濕潤地區(qū)

中圖法分類號：TV122.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.05.004

水庫設(shè)計(jì)洪水的推求是水庫勘測設(shè)計(jì)階段的一項(xiàng)重要工作，關(guān)系到水庫規(guī)模的確定、泄洪設(shè)施的設(shè)計(jì)布置、水庫調(diào)度運(yùn)行方式的選擇等。大多?。?）型和中型水庫工程設(shè)計(jì)時(shí)，流域內(nèi)無實(shí)測暴雨洪水資料或只有短期的實(shí)測資料，無法滿足計(jì)算要求。對于西南濕潤無資料地區(qū)，通常使用經(jīng)審批的地區(qū)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖集獲取水庫流域中心處的暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)，由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水，另外也可用推理公式法或地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法推求設(shè)計(jì)洪水。但對于部分小流域，暴雨圖集法查得的暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)與流域暴雨特性出入較大，所推求的設(shè)計(jì)洪水偏差較大。本文以云南省臨滄市某水庫工程為例，分別采用云南省暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖集（以下簡稱“暴雨圖集法”）和移置鄰近實(shí)測暴雨資料（以下簡稱“暴雨移置法”）兩種方法推求設(shè)計(jì)暴雨，通過對比分析確定水庫設(shè)計(jì)暴雨成果，然后推求水庫設(shè)計(jì)洪水。

1 流域概況

水庫位于云南省臨滄市耿馬縣勐永鎮(zhèn)境內(nèi)的芒佑河上游，控制徑流面積12.2 km2，河長4.98 km，河道平均比降128‰。芒佑河屬于怒江流域南汀河水系，為南汀河左岸加入的一條二級支流。芒佑河上游流域位于東經(jīng)99°50'～99°52、北緯23°54'～23°57。設(shè)計(jì)流域內(nèi)為無人居住區(qū)，水庫庫區(qū)附近有少部分耕地，面積為0.6 km2，其余大部分為森林覆蓋，覆蓋率達(dá)95%。芒佑河干流全長23 km，徑流面積159 km2，天然落差1 877 m。從河源至水庫大壩下游約7 km處的河段稱為芒佑河，往下稱白木河，至小塘壩村附近河段稱塘壩河，再往下至勐段村附近河段稱勐段河，最后在河底崗附近流人河底崗河。芒佑河流域水系見圖1。

2 暴雨洪水特性

水庫流域洪水由暴雨形成，芒佑河屬河底崗河右岸支流，流域地處哀牢山脈西側(cè)，流域暴雨的天氣系統(tǒng)主要為冷鋒低槽型、冷鋒切變型。流域位于孟加拉灣暖濕氣流的迎風(fēng)面，河谷深切，河流走向與水汽人流方向基本一致，故形成流域內(nèi)暴雨次數(shù)多、暴雨量級較大的特點(diǎn)。鄰近的河底崗和大興雨量站與水庫同屬河底崗河流域，且距離較近，地形地貌、下墊面條件和氣候條件基本一致，暴雨洪水特點(diǎn)相似。根據(jù)鄰近河底崗雨量站39 a實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，歷年最大日降水量超過100 mm的大暴雨有3場，其中實(shí)測最大日降水量168.5 mm，發(fā)生于2014年7月21日;實(shí)測第二大日降水量為143.3 mm，發(fā)生于1989年9月15日;實(shí)測第三大日降水量為108.8 mm，發(fā)生于1986年7月25日。多年平均最大日降水量為70 mm。與暴雨對應(yīng)，90%的年最大洪水集中在7-9月，7-8月最為突出，發(fā)生概率超過70%。該流域具有山區(qū)河流洪水的特性，洪水陡漲陡落，起漲歷時(shí)一般在1-3h，次洪歷時(shí)一般不超過24 h，多為單峰型洪水過程。

3 設(shè)計(jì)暴雨推求

3.1 云南省暴雨圖集法

根據(jù)SL44-2006《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》[1]規(guī)定，對于無資料地區(qū)，可從通過審批的暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖上查算工程所需歷時(shí)的設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨量[2-3]。通過云南省暴雨圖集[4]（資料截止2000年，于2007年通過云南省水利廳審定）查得水庫流域暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)，其中，最大1，6，24 h暴雨均值分別為35，48 mm和77 mm，G值分別為0.43，0.49和0.48，Cs=3.5Cv。

根據(jù)水庫位置的暴雨區(qū)劃，由云南省分區(qū)綜合時(shí)一面-α，β的關(guān)系表查得水庫1-24 h設(shè)計(jì)面暴雨量，由云南省1d暴雨分區(qū)綜合雨型表得水庫24 h設(shè)計(jì)面暴雨時(shí)程分配過程，即表1中采用暴雨圖集法推求計(jì)算的結(jié)果。

3.2 暴雨移置法

3.2.1 實(shí)測暴雨資料

水庫流域下游的河底崗雨量站有2005 - 2017年短歷時(shí)暴雨資料和1979 - 2017年最大ld暴雨資料系列，鄰近流域的大興雨量站有1979 - 2017年長系列短歷時(shí)暴雨資料。河底崗、大興雨量站與水庫流域中心直線距離分別為16 km和16.5 km，根據(jù)水庫鄰近雨量站點(diǎn)分布及其實(shí)測暴雨資料情況，選取這兩站的實(shí)測暴雨資料對水庫及鄰近區(qū)域暴雨特性進(jìn)行分析。

對大興雨量站已有的實(shí)測最大1，6，24 h暴雨量與日暴雨建立相關(guān)關(guān)系，得出綜合折算系數(shù)K1=0.481、K6=0.729、K24=1.090，其中24 h暴雨與日暴雨相關(guān)系數(shù)達(dá)0.91，另外兩個(gè)時(shí)段的相關(guān)系數(shù)也在0.6以上，說明該區(qū)域暴雨時(shí)程分配相對規(guī)律，用日暴雨資料推求短歷時(shí)暴雨可行。

根據(jù)大興雨量站1，6，24 h暴雨量與日暴雨相關(guān)系數(shù)，將河底崗站實(shí)測日暴雨系列插補(bǔ)延長缺測年份的1，6，24 h暴雨，得到該站1979 - 2017年（n=39a）1，6，24 h短歷時(shí)暴雨系列。大興站以自記為主，人工校測，暴雨資料系列長度已超過30a，資料可靠且系列具有一定代表性。雖然河底崗站只有10 a的實(shí)測1，6，24 h短歷時(shí)暴雨系列，但最大日暴雨系列已達(dá)32 a，且短歷時(shí)暴雨系列最大值和日暴雨系列最大值均發(fā)生在2014年，故通過展延后的短歷時(shí)暴雨系列資料基本可靠。

依據(jù)河底崗、大興雨量站1979 - 2017年（n=39a）1，6，24 h暴雨系列，用數(shù)學(xué)期望公式計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率，矩法初估統(tǒng)計(jì)參數(shù)均值和G值，取Cs=3.5G，以P-Ⅲ型曲線為線型，用目估適線法確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)，并與河底崗、大興雨量站1，6，24 h查圖值進(jìn)行比較，見表2。

3.2.2 暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)移置

由表2可知，河底崗雨量站1，6，24 h實(shí)測暴雨均值與G值均比查圖值大;大興雨量站1，6，24 h實(shí)測暴雨均值比查圖值大、G值比查圖值小。水庫流域與大興和河底崗雨量站直線距離均較近，但河底崗雨量站與水庫為同一河谷區(qū)，屬上下游關(guān)系，故河底崗站暴雨特性更能代表水庫流域，且河底崗站2014年最大24 h暴雨量達(dá)178.5 mm，約為66 a-遇，為有實(shí)測記錄以來的最大值，實(shí)測暴雨資料系列樣本較大興雨量站更具代表性。故移置河底崗站實(shí)測暴雨資料推求水庫設(shè)計(jì)暴雨更合理。

分別用暴雨圖集查出河底崗雨量站和水庫流域中心的1，6，24 h暴雨及其參數(shù)，根據(jù)兩個(gè)位置查圖值的差異計(jì)算修正系數(shù)，對河底崗站暴雨系列資料進(jìn)行修正后移置到水庫流域，暴雨參數(shù)移置成果見表3。

在河底崗站實(shí)測暴雨資料系列中挑選降水量較大、雨型對工程最不利的暴雨過程為典型暴雨進(jìn)行設(shè)計(jì)暴雨推算，“20140721”實(shí)測暴雨過程見圖2。

采用1，6，24 h移置暴雨成果控制作同頻率放 大典型暴雨過程，其同頻率放大系數(shù)按式（1）～（3）計(jì)算。

《云南省暴雨徑流查算實(shí)用手冊》[5]查得水庫流域的點(diǎn)、面換算系數(shù)，將水庫設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨成果乘點(diǎn)面系數(shù)得設(shè)計(jì)面暴雨過程，即表1中采用暴雨移置法推求計(jì)算的結(jié)果。

3.3 設(shè)計(jì)暴雨成果選用

從表3可知，移置鄰近實(shí)測暴雨資料得到的暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)比采用查圖法得到的暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)更大，主要是由于云南省暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖集資料截止2000年，而實(shí)測資料暴雨資料系列現(xiàn)已增加了17 a，特別2014年水庫流域發(fā)生了較大暴雨，水庫下游的河底崗雨量站日暴雨達(dá)168.5 mm，為39 a實(shí)測最大值，鄰近的大興雨量站日雨量達(dá)107 mm，為39 a實(shí)測第二大值。根據(jù)SL44-2006《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》[1]的規(guī)定，從通過審批暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖上查算工程所需歷時(shí)的設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨量。當(dāng)本地區(qū)或鄰近地區(qū)發(fā)生大暴雨，或依據(jù)不同年代圖集查算成果差別較大時(shí)，應(yīng)對查算圖表進(jìn)行合理性檢查，必要時(shí)作適當(dāng)調(diào)整。因此，水庫設(shè)計(jì)暴雨成果采用暴雨移置法推求的成果。

4 設(shè)計(jì)洪水推求

4.1 由設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

通過查《云南省暴雨徑流查算實(shí)用手冊》相關(guān)圖集得水庫產(chǎn)匯流分區(qū)，然后根據(jù)水庫產(chǎn)流分區(qū)和設(shè)計(jì)暴雨過程進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，采用初損后損法推算得到水庫設(shè)計(jì)凈雨過程。根據(jù)水庫設(shè)計(jì)凈雨過程、匯流分區(qū)及流域特征參數(shù)，用納西瞬時(shí)單位線法推求出水庫斷面的設(shè)計(jì)洪水過程，水庫設(shè)計(jì)洪峰和最大24 h洪量見表4。

4.2 設(shè)計(jì)洪水成果合理性分析

2014年該水庫流域發(fā)生了大洪水，根據(jù)當(dāng)?shù)厮牟块T2014年7月25日對水庫流域的洪水調(diào)查成果，其洪峰流量為88 m3/s，重現(xiàn)期為66 a一遇。而用暴雨移置法推求得水庫66 a一遇洪水為96.5 m3/s，與洪調(diào)成果相對偏差為8.8%，說明暴雨移置法推算的設(shè)計(jì)洪水成果合理。

5 結(jié)語

水庫流域?qū)儆跓o資料地區(qū)，僅水庫流域下游的河底崗有暴雨資料。根據(jù)資料條件，采用暴雨圖集法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，而設(shè)計(jì)暴雨分別采用移置河底崗雨量站暴雨資料和查云南省暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖推求。本文分析結(jié)果表明，移置河底崗雨量站暴雨資料的方法推求設(shè)計(jì)暴雨成果更符合流域?qū)嶋H，推求的水庫設(shè)計(jì)洪水也更合理。

對于西南濕潤地區(qū)的無資料區(qū)域，中小型水庫設(shè)計(jì)洪水以暴雨推求洪水的方法為主，其設(shè)計(jì)暴雨可通過查暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖、移置鄰近實(shí)測暴雨資料、建立區(qū)域暴雨高程關(guān)系等方法推求，但應(yīng)在充分分析流域暴雨洪水特性的基礎(chǔ)上確定合理的設(shè)計(jì)暴雨推求方法。

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[5] 云南省水利廳.云南省暴雨洪水查算實(shí)用手冊[R].昆明：云南省水利廳，1992.

（編輯：李慧）

作者簡介：李增國，男，工程師，主要從事水文測驗(yàn)整編、水文預(yù)測預(yù)報(bào)、水情水資源分析等方面的工作。E-mail：412808166@qq.com