超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系線擬定方法

張靜芳，翟俊峰，張煒，張濤

(1.呼和浩特水文勘測(cè)局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010;2.內(nèi)蒙古水文總局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

1 基本情況

呼和浩特市轄區(qū)承擔(dān)報(bào)汛任務(wù)的國(guó)家基本水文站有美岱(大二)、三兩(三)、二道邊等10處水文站。在分析水文測(cè)站現(xiàn)狀測(cè)報(bào)能力和防洪需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合擬定的超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系線，以水位或流量為主要衡量指標(biāo)，劃分超標(biāo)洪水的不同量級(jí)，確定具體的水位或流量節(jié)點(diǎn)，制定相應(yīng)的測(cè)報(bào)方案，以使汛期水文測(cè)站超標(biāo)洪水測(cè)報(bào)有序開展。

2 水位流量關(guān)系線擬定

2.1 多年綜合線法

2.1.1 資料的選用

近幾年屬平水年份，多數(shù)測(cè)站沒(méi)有發(fā)生超標(biāo)洪水。因此，水位流量關(guān)系線繪制，中低水部分，采用2016—2020年實(shí)測(cè)流量成果表數(shù)據(jù)擬合，中高水部分，參照現(xiàn)斷面歷年大水年份實(shí)測(cè)流量成果表數(shù)據(jù)分析并繪制多年綜合線。除二道邊水文站資料系列為15 a外，其余測(cè)站資料系列至少20 a，滿足多年綜合關(guān)系線繪制要求。

2.1.2 資料的分析

經(jīng)對(duì)現(xiàn)狀斷面2016—2020年和歷年大水年份實(shí)測(cè)流量成果表中汛期數(shù)據(jù)整理，繪制水位～流量關(guān)系圖、水位～面積關(guān)系圖、水位～平均流速關(guān)系圖、水位～最大流速關(guān)系圖、水位～平均水深關(guān)系圖、水位～最大水深關(guān)系圖、平均水深～平均流速關(guān)系圖，以便更好把控現(xiàn)狀斷面基礎(chǔ)上的中高水部分水位流量關(guān)系線的走向，特別是在現(xiàn)狀斷面水位～面積關(guān)系線固定的前提下，中高水的水位～平均流速關(guān)系需符合測(cè)站特性且相比歷年大水?dāng)?shù)據(jù)需控制在合理范圍內(nèi)，以便提高中高水水位～流量關(guān)系多年綜合線的定線精度。

2.1.3 多年綜合線繪制

在對(duì)歷年實(shí)測(cè)流量成果表汛期數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)狀測(cè)站特性擬繪水位流量關(guān)系線，并把中高水歷年大水?dāng)?shù)據(jù)還原至現(xiàn)狀斷面，點(diǎn)繪在擬繪的關(guān)系線上，進(jìn)一步分析擬繪關(guān)系線的合理性。特別是通過(guò)高水部分的流量面積比與歷年大水的平均流速相比較，趨勢(shì)需一致，以便使中高水部分的關(guān)系線符合測(cè)站特性，多年綜合線應(yīng)用于超標(biāo)洪水測(cè)報(bào)時(shí)，精度可靠。

2.2 曼寧公式法

2.2.1 資料的選用

曼寧公式法也稱比降面積法，按照《水工建筑物與堰槽測(cè)流規(guī)范》要求，在流速儀法等測(cè)流方法測(cè)驗(yàn)有困難時(shí)，比降面積法作為特殊情況下的測(cè)驗(yàn)方法時(shí)，可根據(jù)測(cè)站實(shí)測(cè)資料分析的糙率曲線查用糙率；如果較高水位以上無(wú)實(shí)測(cè)資料分析的糙率曲線時(shí)，可結(jié)合岸壁組成、植物生長(zhǎng)情況、下游控制以及河段其他特性等選取糙率值，延長(zhǎng)幅度不宜超過(guò)20%。

資料的選用是在多年綜合線法收集資料的基礎(chǔ)上，整理歷年實(shí)測(cè)流量成果表中的糙率和水面比降數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理分析。

2.2.2 糙率數(shù)據(jù)分析及關(guān)系線繪制

經(jīng)對(duì)測(cè)站歷年實(shí)測(cè)流量成果表中的水面比降和糙率進(jìn)行整理發(fā)現(xiàn)，近10年內(nèi)的資料很少，多數(shù)為2000年以前的數(shù)據(jù)，甚至是二十世紀(jì)五六十年代數(shù)據(jù)。雖測(cè)站斷面現(xiàn)狀因斷面整治、河床沖淤變化、斷面地物等有一定的變化，但是對(duì)于超標(biāo)洪水測(cè)報(bào)來(lái)說(shuō)，采用曼寧公式法擬定水位流量關(guān)系線，還是有一定的參考價(jià)值。

經(jīng)對(duì)測(cè)站平均水深與糙率關(guān)系曲線分析，多數(shù)點(diǎn)據(jù)不集中，但基于預(yù)案是以編制超標(biāo)洪水為主，可采取對(duì)測(cè)站歷年實(shí)測(cè)流量大小從大到小排序，選取實(shí)測(cè)流量在5年一遇及以上超標(biāo)洪水的糙率和水面比降均值作為現(xiàn)狀斷面的超標(biāo)洪水的糙率和水面比降，采用曼寧公式來(lái)推理水位流量關(guān)系線，以便對(duì)多年綜合線法繪制的關(guān)系線進(jìn)行合理性驗(yàn)證。

經(jīng)對(duì)測(cè)站現(xiàn)狀實(shí)測(cè)大斷面整理，生成分級(jí)水位面積關(guān)系表，結(jié)合歷年5年一遇及以上超標(biāo)洪水糙率和水面比降均值，采用曼寧公式計(jì)算水位對(duì)應(yīng)流量并繪制水位流量關(guān)系線。

2.3 實(shí)測(cè)年最大流量頻率分析法

選取測(cè)站建站至2020年年最大實(shí)測(cè)流量成果數(shù)據(jù)，采用PⅢ頻率分析軟件，計(jì)算出2年、5年、10年、20年、50年、100年一遇6種頻率相應(yīng)流量。在曼寧公式法計(jì)算得出的水位流量關(guān)系線基礎(chǔ)上，通過(guò)同流量反查相應(yīng)水位，形成不同頻率水位對(duì)應(yīng)的流量，點(diǎn)繪水位流量關(guān)系線。

2.4 單參數(shù)地區(qū)綜合法

在同一水文分區(qū)內(nèi)，影響洪水的主要因素是流域的集水面積。單參數(shù)地區(qū)綜合法為分析分區(qū)內(nèi)測(cè)站多年平均洪峰流量及CV值與流域集水面積的關(guān)系。以洪水分區(qū)為單元，采集同一分區(qū)內(nèi)根據(jù)實(shí)測(cè)流量資料和歷史調(diào)查洪水推算的單站洪水設(shè)計(jì)成果及本區(qū)已建工程的設(shè)計(jì)成果，建立各分區(qū)的多年平均洪峰流量均值QM和相應(yīng)的變差系數(shù)CV值的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式。繪制確定各區(qū)洪水經(jīng)驗(yàn)公式的參數(shù)C值和流域面積指數(shù)N。

經(jīng)查《內(nèi)蒙古自治區(qū)水文手冊(cè)》(以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》)附圖十八，紅山口、陳梨夭水文站屬V8分區(qū)，即大青山、蠻漢山石質(zhì)山區(qū)；哈拉沁、清水河、店上村、卓資山、旗下?tīng)I(yíng)等水文站屬V9分區(qū)，即大青山、蠻漢山土石山區(qū)。按照設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分區(qū)分類，呼和浩特市所轄紅山口(三)、陳梨夭(二)2處水文站屬V8分區(qū)；美岱(大二)、哈拉沁(二)、壩口子、店上村(三)、清水河5處水文站屬V9分區(qū)。

經(jīng)查《手冊(cè)》中相關(guān)參數(shù)并計(jì)算得出不同頻率洪峰流量。采用曼寧公式，建立流量、糙率、比降、斷面面積、水力半徑的等式關(guān)系，反查現(xiàn)狀斷面的水位，建立水位流量關(guān)系線。

2.5 多參數(shù)地區(qū)綜合法

洪峰流量與暴雨特性及流域特征有關(guān)，如僅用單一面積的單參數(shù)地區(qū)綜合公式推求洪水，有時(shí)誤差較大。因此，可建立流域平均24H面雨量(H24)、主河道平均比降(J)及流域形狀系數(shù)(F)等參數(shù)與洪峰流量的相關(guān)關(guān)系，制定多參數(shù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式。

2.6 多年綜合線擬定

在以多年綜合線法繪制的水位流量關(guān)系線基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用曼寧公式法、實(shí)測(cè)年最大流量頻率分析法、單參數(shù)地區(qū)綜合法、多參數(shù)地區(qū)綜合法擬合水位流量關(guān)系線，以進(jìn)一步綜合研判并提高水位流量關(guān)系線的擬合精度。在現(xiàn)狀基本斷面水位面積分級(jí)表的基礎(chǔ)上，通過(guò)水位～流量/面積/平均流速三種關(guān)系線，進(jìn)一步精細(xì)擬合多年綜合線，形成水位～流量/面積/平均流速三種關(guān)系線，以應(yīng)用于測(cè)站超標(biāo)洪水測(cè)報(bào)預(yù)案及汛期超標(biāo)洪水的報(bào)汛。

2.7 合理性分析

在多年綜合線法、曼寧公式法、實(shí)測(cè)年最大流量頻率分析法、單參數(shù)地區(qū)綜合法和多參數(shù)地區(qū)綜合法擬定的水位～流量/面積/平均流速多年綜合線基礎(chǔ)上，選取與現(xiàn)狀斷面較接近的歷年有代表性的實(shí)測(cè)超標(biāo)洪水場(chǎng)次，在擬合多年綜合線的基礎(chǔ)上點(diǎn)繪中高水部分的流量/面積/平均流速，點(diǎn)群比較集中；中高水部分同流量平均流速與測(cè)站歷年大水平均流速較為接近，關(guān)系線趨勢(shì)一致；不同頻率的洪峰流量與集水面積關(guān)系線擬合較好。因此，擬合的多年綜合線符合測(cè)站特性，較為合理。

3 存在問(wèn)題及建議

3.1 存在問(wèn)題

①在多參數(shù)地區(qū)綜合法計(jì)算中，《手冊(cè)》采用的是1956—2005年長(zhǎng)系列水文資料，雖滿足規(guī)范要求的30 a及以上水文資料系列，具有較好的代表性，但歷年基本斷面以上水利工程及生態(tài)環(huán)境等因素與現(xiàn)狀存在一定的差異。②因暴雨多為局部發(fā)生，雨量點(diǎn)布設(shè)較稀，分布不均，自記雨量站資料更少，《手冊(cè)》中的H24小時(shí)等值線圖只能粗略地反映大范圍的暴雨分布趨勢(shì)，不能反映局部地形的影響，控制不住局部暴雨。因此，采用多參數(shù)地區(qū)綜合法計(jì)算，在H24降水均值數(shù)據(jù)選取時(shí)，基本斷面以上流域面積越小，精度相對(duì)較差。③三兩(三)和西二道河水文站地形屬平原區(qū)，擋陽(yáng)橋水文站因受上游水利工程等因素影響，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得流量與實(shí)際偏差較大。

3.2 建議

①曼寧公式法計(jì)算過(guò)程中，需有現(xiàn)狀斷面的糙率和水面比降數(shù)據(jù)，歷年實(shí)測(cè)流量成果糙率和水面比降數(shù)據(jù)多為2000年以前數(shù)據(jù)，甚至是二十世紀(jì)五六十年代數(shù)據(jù)，水位糙率關(guān)系點(diǎn)群不集中，在測(cè)驗(yàn)過(guò)程中需進(jìn)一步收集現(xiàn)狀斷面的糙率和水面比降數(shù)據(jù)，以提高水位流量關(guān)系線擬合精度，更加符合測(cè)站特性。②因斷面整治、沖淤變化、斷面地物以及基本斷面以上水利工程、生態(tài)環(huán)境等多種因素影響，擬合的多年綜合關(guān)系線還需在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步通過(guò)實(shí)測(cè)水位流量數(shù)據(jù)糾正。③《手冊(cè)》中單參數(shù)地區(qū)綜合法公式方法簡(jiǎn)單，使用方便，但較難反映特殊流域上的各種特性及影響因素；如設(shè)計(jì)流域的流域形狀和河道比降接近于同一洪水分區(qū)代表站的特性時(shí)可采用單參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。如設(shè)計(jì)流域內(nèi)的坡度特別陡(或緩)，或流域形狀特殊時(shí)(形狀呈扇形時(shí))，需考慮用多參數(shù)地區(qū)綜合公式法計(jì)算。