老碼頭水文站設(shè)計洪水插補延長方法淺析

高力群，陳 菡

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430070)

設(shè)計洪水是確定河流治理開發(fā)方案和水利水電工程規(guī)模的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)計依據(jù)站實測洪水系列不足30年，應(yīng)進(jìn)行插補延長，并充分收集歷史洪水調(diào)查和考證資料，提高系列的代表性，然后再根據(jù)展延后的系列進(jìn)行頻率分析計算，推求設(shè)計洪水[1]。

國內(nèi)許多學(xué)者對設(shè)計洪水插補延長方法進(jìn)行了大量分析。王心峰[2]通過實例研究，對幾種插補延長方法進(jìn)行了對比分析，提出了具體建議和注意事項。張京思[3]根據(jù)水位流量關(guān)系曲線法插補延長參證站的設(shè)計洪水系列，并與短系列成果進(jìn)行比較，為短系列洪水資料插補延長方法和水利工程設(shè)計提供參考和依據(jù)。

龍背灣水電站位于湖北省竹山縣堵河南支流官渡河中上游，為第一級電站。老碼頭水文站是官渡河干流的控制站，位于壩址上游1.5 km，控制壩址以上流域面積的86%。為了計算龍背灣壩址設(shè)計洪水，本文以老碼頭水文站為設(shè)計站，研究如何利用參證站插補展延洪峰、洪量系列，來計算老碼頭水文站的設(shè)計洪水。由于老碼頭水文站實測洪水系列只有23年，本次選擇與老碼頭水文站相鄰的官渡水文站、竹山水文站和新洲水文站為參證站，研究幾個水文站之間洪水(洪峰、洪量)的相關(guān)關(guān)系，插補延長老碼頭水文站洪水系列，以增加系列資料的連續(xù)性和代表性，進(jìn)而提高設(shè)計洪水的可靠性。

1 流域概況

堵河流域位于湖北省鄂西北地區(qū)，系漢江上游南岸支流，發(fā)源于陜西省鎮(zhèn)坪縣大巴山北麓，流向東北，注入丹江口水庫。河流全長354 km，平均坡降4.64‰，流域面積12 502 km2。堵河上游分兩支，西支稱泗河，屬干流，南支稱官渡河，匯合于竹山縣的兩河口后稱堵河[4]。

官渡河流域面積2 961 km2，河長126.9 km，平均坡降4.73‰。發(fā)源于大神農(nóng)架的臺子鄉(xiāng)，流經(jīng)神農(nóng)架林區(qū)的板倉，房縣的九道梁，竹山境內(nèi)的洪坪、梁家、官渡、峪口，由田家壩鎮(zhèn)的兩河口匯入堵河，是堵河最大支流[5]。

官渡河流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，河谷地區(qū)氣候溫和，無霜期長，高山區(qū)則冬冷夏涼，降水增多，夏多雷暴，冬多降雪。

2 基本資料

老碼頭水文站位于官渡河中上游，距兩河口48.4 km；新洲水文站位于泗河流域，距兩河口24.1 km；竹山水文站在堵河干流上，位于官渡河和泗河匯合口以下約28 km。堵河流域水文站網(wǎng)見圖1。

1)老碼頭水文站。該站1987年1月由湖北省水文水資源局設(shè)站，集水面積1 854 km2。由于位于龍背灣水電站淹沒區(qū)，于2011年停測。本次收集到老碼頭站1988～2010年共23年洪水資料系列。

2)新洲水文站。該站位于竹溪縣的新洲鎮(zhèn)，設(shè)于1958年10月，集水面積4 660 km2，占泗河流域面積的96.1%。由于位于潘口水電站淹沒區(qū)，于2011年潘口水電站蓄水后停測。本次收集到新洲站1959～2010年共52年洪水資料系列。

圖1 堵河流域水文站網(wǎng)示意圖

3)竹山水文站。該站1958年由湖北省水利廳設(shè)立，集水面積9 074 km2。本次收集到竹山站1959～2010年共52年洪水資料系列。

4)官渡水文站。該站于1959年10月由湖北省水文水資源局設(shè)立，1963年8月停測，集水面積2 535 km2。官渡站只有1959～1963年共4年流量觀測資料。

3 歷史洪水及重現(xiàn)期

1)歷史洪水。老碼頭站設(shè)站較晚，沒有歷史洪水調(diào)查資料，在其下游官渡站有歷史洪水調(diào)查資料，可將官渡站歷史洪水按照面積比的2/3次方移置到老碼頭水文站。其成果見表1。

表1 老碼頭站歷史洪水成果表

2)重現(xiàn)期。根據(jù)本次歷史洪水的復(fù)核成果，發(fā)生歷史洪水的年份有1867年、1926年、1931年、1937年、1956年、1980年,共6年。1867年洪水為自1867年以來發(fā)生的最大洪水，但無法定量，故從調(diào)查的最遠(yuǎn)年份1867年算起，到2010年止，則重現(xiàn)期為144年；1926年洪水為1867年以來第二大洪水，其重現(xiàn)期定為72年。

4 老碼頭站洪水系列的插補延長

老碼頭水文站洪水系列由實測系列和插補延長系列組成。插補延長老碼頭站洪水系列，選取官渡水文站、新洲水文站和竹山水文站為參證站，通過分析三站洪水與老碼頭水文站洪水的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)新洲水文站和竹山水文站由于集水面積相差較大，洪水相關(guān)性較差，不宜直接相關(guān)展延，進(jìn)而采用新洲水文站和竹山水文站區(qū)間洪水，以洪量相關(guān)展延老碼頭洪量系列，再以老碼頭水文站峰、量相關(guān)展延洪峰系列。官渡水文站與老碼頭水文站處于同一河流，面積相差較小，直接用水文比擬法將實測洪峰移植至老碼頭水文站。

4.1 老碼頭水文站實測洪水系列分析

老碼頭站有1988～2010年23年實測洪水資料，按年最大值法選樣并進(jìn)行統(tǒng)計，可得到老碼頭站年洪峰流量、最大24 h洪量和最大72 h洪量系列。

官渡站在老碼頭站下游，流域面積相差不大，流域內(nèi)自然地理條件比較一致。利用官渡站1959～1962年實測洪水資料，將官渡站的洪峰流量按面積比的2/3次方，洪量按面積比的一次方移置到老碼頭站，得到老碼頭站1959年～1962年洪峰流量及最大W24 h、W72 h洪量。

利用老碼頭站1959～1962年、1988～2010年共27年洪水系列，建立其峰量關(guān)系，見圖2和圖3。從圖2和圖3可以看出，年峰量、峰峰相關(guān)點密集的分布在相關(guān)線兩邊，相關(guān)關(guān)系非常密切。

圖2 老碼頭站Q～W24 h(1959-1962,1988-2010)相關(guān)關(guān)系圖

圖3 老碼頭站W(wǎng)24 h～W72 h(1959-1962,1988-2010)相關(guān)關(guān)系圖

4.2 老碼頭水文站與竹山～新洲區(qū)間洪水相關(guān)分析

老碼頭水文站1963～1987年洪峰及洪量，采取竹山～新洲區(qū)間最大洪水同頻率地區(qū)組成法計算?？紤]兩種特定組合方案：其一是當(dāng)上游新洲站發(fā)生設(shè)計頻率的洪水，下游竹山站也發(fā)生設(shè)計頻率的洪水，而區(qū)間為相應(yīng)的洪水；其二是當(dāng)下游竹山站發(fā)生設(shè)計頻率的洪水，區(qū)間也發(fā)生設(shè)計頻率的洪水，上游新洲站為相應(yīng)的洪水。

竹山～新洲區(qū)間的實測年最大洪水過程采用兩種情況選定：其一是同場的年最大洪水，則采用同場的年最大洪水過程統(tǒng)計選樣；其二是不同場的年最大洪水，則以各場的不同年最大洪水進(jìn)行統(tǒng)計分析，選取其區(qū)間最大的一場洪水過程作為年最大區(qū)間洪水過程，并以選定的竹山～新洲的年最大區(qū)間洪水過程所對應(yīng)的兩站同場最大洪水過程的實測資料，由新洲站演進(jìn)到竹山站，與竹山站的洪水過程相減得出其區(qū)間的洪水過程，并計算出區(qū)間的最大W24 h、W72 h洪量。

建立老碼頭站實測(含官渡站的移置成果)與竹山和新洲區(qū)間年最大W24 h、W72 h洪量相關(guān)線，見圖4及圖5。經(jīng)分析計算，24 h洪量相關(guān)系數(shù)為0.98，72 h洪量相關(guān)系數(shù)為0.95，相關(guān)關(guān)系非常密切。

根據(jù)老碼頭與竹山～新洲區(qū)間年最大W24 h、W72 h洪量相關(guān)關(guān)系和新洲、竹山站1963～1987年實測洪水資料，可以插補出老碼頭站1963～1987年的W24 h、W72 h洪量。

圖4 老碼頭W24 h～(竹-新)W24 h(1959-1962,1988-2010)相關(guān)關(guān)系圖

4.3 老碼頭水文站洪水系列

老碼頭站洪量系列由官渡站移置的1959～1962年、竹山～新洲區(qū)間插補的1963～1987年和實測的1988～2010年系列組成。老碼頭站洪峰系列為1959～2010年，其中1959～1962年由官渡站移置，1963～1987年為老碼頭站峰、量關(guān)系計算，1988～2010年為實測系列。

根據(jù)插補展延的老碼頭站洪水系列，考慮歷史洪水，先用矩法初步估算統(tǒng)計參數(shù)，再按皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行適線，得到老碼頭水文站設(shè)計洪水計算成果，見表2。

4.4 老碼頭水文站設(shè)計洪水合理性論證

官渡河流域設(shè)計洪峰流量的特點是洪峰模數(shù)略大，而變差系數(shù)Cv和偏態(tài)系數(shù)Cs與鄰近流域相比相對偏小。由表3反映出，本地區(qū)中等流域年最大流量的均值、最大值與最小值及其比值，比值大者Cv值相對較大，堵河與南河相比，堵河的變率遠(yuǎn)比南河小，老碼頭和官渡站調(diào)查的最大洪水及重現(xiàn)期也比南河小，說明堵河在同一時期內(nèi)，發(fā)生的洪水量級要比南河小，其Cv值比南河小是合理的。另外，堵河流域洪水主要是由鋒面暴雨形成的，臺風(fēng)暴雨很難深入到堵河流域，而且堵河流域的植被從調(diào)查的情況來看也比南河好，所以調(diào)節(jié)性能也相對較好。堵河與夾河相比，變差系數(shù)Cv值小于夾河，這是由于夾河的滯洪作用調(diào)節(jié)能力差所致。堵河與沮河也有類似情況，所以Cv值偏小。綜合以上分析，老碼頭站設(shè)計洪水成果是合理的。

5 結(jié) 語

對于水文實測資料系列長度不足的設(shè)計洪水計算，利用水文站本身及上下游鄰近水文站相關(guān)等方法插補延長洪水樣本系列，是設(shè)計依據(jù)站洪水系列插補展延的有效途徑。相關(guān)分析中，參證站的選擇很關(guān)鍵，要求參證流域與設(shè)計流域鄰近，氣候條件基本一致，洪水形成條件相似，同期觀測資料不能太短，要防止輾轉(zhuǎn)相關(guān)造成的關(guān)系密切假象。設(shè)計洪水插補延長成果的研究，提出了在參證站資料系列不全的情況下通過區(qū)間峰量相關(guān)得展延設(shè)計展系列，對水文站設(shè)計洪水的相關(guān)展延提供了又一種研究思路，進(jìn)而提高設(shè)計洪水的可靠性。

表3 流域內(nèi)外各水文站洪水特征表