遼寧省小流域設(shè)計(jì)洪峰及洪量徑流系數(shù)的確定

王 莉

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

對(duì)于小流域而言，一般采用推理公式進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，這其中涉及到設(shè)計(jì)洪峰和洪量的計(jì)算，由于大多小流域都處于無資料地區(qū)，很難采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)洪峰和洪量的計(jì)算[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)與小流域設(shè)計(jì)洪水一般采用兩種方法，第一種方法是通過水文模型進(jìn)行洪峰和洪量的計(jì)算，以不同頻率設(shè)計(jì)暴雨量作為模型輸入推求場(chǎng)次洪水過程，模型計(jì)算的洪峰和場(chǎng)次洪量即為其設(shè)計(jì)洪峰和洪量值，這種方式在模型的應(yīng)用過程中需要進(jìn)行參數(shù)移植，且由于缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)率定其計(jì)算精度很難得到有效控制，這種方式在國(guó)內(nèi)一些區(qū)域得到應(yīng)用[2-7]，尤其是在構(gòu)建中小河流預(yù)報(bào)方案中應(yīng)用較多。第二種方法為結(jié)合區(qū)域?qū)崪y(cè)洪水?dāng)?shù)據(jù)，通過建立洪量徑流系數(shù)—洪峰徑流系數(shù)關(guān)系曲線，基于雨洪同頻假設(shè)條件，利用區(qū)域設(shè)計(jì)暴雨資料來推求其設(shè)計(jì)洪量徑流系數(shù)，再基于洪量徑流系數(shù)—洪峰徑流系數(shù)關(guān)系曲線，對(duì)其設(shè)計(jì)洪峰徑流系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，這種方式由于基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，一般推求的設(shè)計(jì)洪峰和洪量值和實(shí)際情況較為吻合[8]，這種方式在許多地區(qū)相比于水文模型而言，應(yīng)用較多[9-15]。遼寧地區(qū)在1998年針對(duì)小流域設(shè)計(jì)洪峰和洪量進(jìn)行過計(jì)算，但由于變化環(huán)境的影響，其設(shè)計(jì)洪峰和洪量都受到不同程度的影響，亟需要對(duì)其小流域洪量徑流系數(shù)—洪峰徑流系數(shù)關(guān)系曲線進(jìn)行修正，為此本文結(jié)合遼寧地區(qū)63個(gè)流域面積小于1000km2的水文站點(diǎn)，依據(jù)峰型較好、峰值較大挑選900場(chǎng)實(shí)測(cè)洪水?dāng)?shù)據(jù)，建立遼寧省不同水文分區(qū)洪量徑流系數(shù))—洪峰徑流系數(shù)關(guān)系曲線，基于雨洪同頻假定條件，結(jié)合設(shè)計(jì)暴雨數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域設(shè)計(jì)洪量徑流系數(shù)αP進(jìn)行確定，研究成果對(duì)于遼寧省無資料小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算具有重要的參考價(jià)值。

1 基本資料

根據(jù)水文站的建站時(shí)間、位置、代表性，以及水文站數(shù)據(jù)資料的可靠性、代表性、準(zhǔn)確性、一致性等特征，在各水文分區(qū)(如圖1所示)按照流域面積小于10000km2且流域內(nèi)無控制水利工程，選擇典型水文代表站，作為分析對(duì)象，共選擇63個(gè)代表站，并依據(jù)峰型較好、峰值較大挑選900場(chǎng)實(shí)測(cè)洪水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，站點(diǎn)信息及分布情況見表1和如圖2所示。

圖1 遼寧省水文分區(qū)

2 研究方法

2.1 設(shè)計(jì)洪峰計(jì)算

采用小流域推理公式遼寧法[16]對(duì)小流域洪峰流量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

(1)

式中，Qm—洪峰流量，m3/s；φ—洪峰徑流系數(shù)；τ—匯流時(shí)間，h；Pτ—τ時(shí)段內(nèi)最大降雨量，mm；F—匯水面積，km2。在式(1)的基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)洪峰流量進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為：

Qm=0.278φpipF (2)

(續(xù)表)

其中：

(3)

式中，Qp—設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；φp—設(shè)計(jì)洪峰徑流系數(shù)；ip—匯流時(shí)間τ時(shí)段內(nèi)的設(shè)計(jì)面降雨強(qiáng)度，mm/h；Pτp面—計(jì)算頻率下τ時(shí)段內(nèi)的設(shè)計(jì)面暴雨，mm。從中可以看出，小流域設(shè)計(jì)洪峰主要和設(shè)計(jì)洪峰徑流系數(shù)以及設(shè)計(jì)雨強(qiáng)有關(guān)，設(shè)計(jì)雨強(qiáng)主要和流域匯流歷時(shí)和匯流歷時(shí)內(nèi)的設(shè)計(jì)面暴雨量相關(guān)。

2.2 設(shè)計(jì)洪量計(jì)算

設(shè)計(jì)洪量一般結(jié)合實(shí)測(cè)洪水?dāng)?shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，但對(duì)于小流域而言，其徑流資料數(shù)據(jù)較為缺乏，很難采用實(shí)測(cè)洪水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)洪量的計(jì)算。因此一般基于雨洪同頻的基本假定條件通過設(shè)計(jì)暴雨結(jié)合徑流系數(shù)法來進(jìn)行設(shè)計(jì)洪量的計(jì)算?；驹O(shè)計(jì)洪量計(jì)算公式為：

Wp=0.1apPp面F

(4)

式中，Wp—設(shè)計(jì)洪量，m3；ap—設(shè)計(jì)洪量徑流系數(shù)；Pp面—設(shè)計(jì)面雨量，mm；F—匯水面積，km2。時(shí)段洪量計(jì)算公式分別為：

(5)

(6)

W24hp=W3dp-W3d-24hp

(7)

(8)

式中，Pc—場(chǎng)次降雨量，mm；hc—場(chǎng)次降雨對(duì)應(yīng)的徑流深，mm。在部分產(chǎn)流條件下，其計(jì)算公式：

(9)

式中，Pt—產(chǎn)流面積上對(duì)應(yīng)的一次降雨量，mm；ht—產(chǎn)流面積上一次降雨對(duì)應(yīng)的徑流深，mm。

3 研究成果

3.1 α—φ關(guān)系曲線建立

在遼寧省選取流域內(nèi)無水利工程控制且匯水面積低于1000km2，降雨徑流相關(guān)性較好的63個(gè)水文站點(diǎn)作為研究站點(diǎn)，在選取的水文站點(diǎn)中按照洪水總量及洪峰較大，洪水過程較為單一選取900場(chǎng)洪水進(jìn)行各場(chǎng)次洪水的α、φ值計(jì)算，按照各水文站所在的水文分區(qū)將計(jì)算的各站點(diǎn)α、φ值以α為橫坐標(biāo)、φ為縱坐標(biāo)，繪制α—φ關(guān)系線，結(jié)果如圖2所示。

圖2 遼寧省各水文分區(qū)徑流系數(shù)α—φ綜合關(guān)系圖

用實(shí)測(cè)資料分析α和φ變幅較大，主要受自然地理特性、降雨變化、產(chǎn)流和前期影響降雨量等多方面的因素影響。遼寧省中部平原區(qū)、東部濕潤(rùn)山區(qū)降雨頻繁、植被較好，屬于飽和產(chǎn)流區(qū)，匯流速度慢，洪水過程矮胖，河槽調(diào)蓄能力強(qiáng)，與其它分區(qū)α—φ關(guān)系線比較離45°直線最近。西部干旱丘陵山區(qū)降雨稀少，植被差，屬非飽和產(chǎn)流區(qū)，匯流速度快，洪水過程尖瘦，河槽調(diào)蓄能力差，α相同時(shí)，對(duì)應(yīng)的φ值大于飽和產(chǎn)流區(qū)。遼東半島濕潤(rùn)丘陵區(qū)、西部半干旱丘陵區(qū)從產(chǎn)匯流和植被條件綜合考慮介于飽和與非飽和之間，故α—φ關(guān)系線也介于兩者之間。

3.2 不同頻率下α3dp、α3d-24hp推算

3.2.1α3d、α3d-24h的計(jì)算

每個(gè)水文分區(qū)選擇若干個(gè)典型水文代表站，利用歷年雨量站降水資料采用算數(shù)平均法，滑動(dòng)計(jì)算各水文代表站集水區(qū)歷年最大3d和同場(chǎng)次最大24h時(shí)段面雨量，形成時(shí)間序列，并對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行頻率計(jì)算分析，得到各頻率的P3dmax和P(3d-24h)max；利用中等流域各水文代表站降水的前期影響雨量(Pa)和各水文分區(qū)已有降雨—徑流關(guān)系，根據(jù)各水文代表站不同頻率的P+Pa值，得出各水文代表站相應(yīng)頻率的徑流深(R)，利用這兩個(gè)量比值推求同頻率下徑流系數(shù)。計(jì)算時(shí)用到的降雨—徑流關(guān)系是場(chǎng)次關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)段洪量W3dp、W3d-24hp、W24hp推算時(shí)，需要對(duì)α場(chǎng)次p進(jìn)行修正后得到3d、3d-24h的徑流修正系數(shù)α3d、α3d-24h，并進(jìn)行地區(qū)綜合；

3.2.2α3dp、α3d-24hp的確定

從水文分區(qū)中，選用流域控制面積600km2以下水文站進(jìn)行α3dp分析。水文代表站選定：根據(jù)水文站的建站時(shí)間、位置、代表性，以及水文站數(shù)據(jù)資料的可靠性、代表性、準(zhǔn)確性、一致性等特征，在各水文分區(qū)選擇典型水文代表站，作為分析對(duì)象，共選擇48個(gè)代表站。同時(shí)，挑選每個(gè)水文代表站控制范圍內(nèi)雨量站，共計(jì)197個(gè)。場(chǎng)次洪水用場(chǎng)次洪水分析72h洪量與場(chǎng)次洪量比例關(guān)系。從代表水文站挑選峰大、量大洪水643場(chǎng)。計(jì)算場(chǎng)次洪水的洪量，滑動(dòng)計(jì)算最大72h洪量。降雨系列用水文代表站控制范圍內(nèi)雨量站年最大3日雨量(P3dmax)資料，采用算術(shù)平均法計(jì)算面雨量，推算歷年最大3d面雨量系列。各水文分區(qū)α3dp、α3d-24hp計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 遼寧省各水文分區(qū)不同頻率下的洪量徑流系數(shù)

(續(xù)表)

從遼寧省各水文分區(qū)α3dp、α3d-24hp計(jì)算結(jié)果可看出，Ⅲ1～Ⅲ4區(qū)不同頻率下的洪量徑流系數(shù)要高于其他水文分區(qū)，Ⅲ1～Ⅲ4區(qū)主要位于遼寧的丹東和本溪地區(qū)，屬于遼寧省的暴雨中心，區(qū)域多年平均降雨量在1200mm左右，山區(qū)較多，因此其不同頻率下的洪量徑流系數(shù)也相對(duì)高于其他水文分區(qū)。Ⅱ區(qū)不同頻率下的洪量徑流系數(shù)均小于其他水文分區(qū)，Ⅱ區(qū)主要位于遼寧的彰武地區(qū)，區(qū)域少雨干旱，年平均降水量在500mm左右，因此其不同頻率下的洪量徑流系數(shù)要低于其他水文分區(qū)。從不同頻率徑流系數(shù)空間總體分布來看，從東南向西北逐步遞減變化。

3.3 不同頻率洪峰徑流系數(shù)推算

根據(jù)各水文分區(qū)設(shè)計(jì)洪量徑流系數(shù)αP，通過α—φ綜合關(guān)系圖，推算各水文分區(qū)設(shè)計(jì)洪峰徑流系數(shù)φ，見表3。

表3 遼寧省各水文分區(qū)設(shè)計(jì)洪峰徑流系數(shù)φ成果表

從遼寧省各水文分區(qū)設(shè)計(jì)洪峰徑流系數(shù)φ成果表可看出，不同頻率下各水文分區(qū)洪峰徑流系數(shù)總體在0.29～0.91之間，隨著頻率的增加，其設(shè)計(jì)洪量徑流系數(shù)逐步降低，從不同頻率洪峰徑流系數(shù)空間分布特征可看出，其和洪量徑流系數(shù)分布具有一定的相似性，設(shè)計(jì)洪峰徑流系數(shù)從東南向西北逐步遞減，東部本溪和丹東地區(qū)不同頻率設(shè)計(jì)洪量徑流系數(shù)相比于其他水文分區(qū)要高，彰武縣所在的Ⅱ區(qū)不同頻率下洪峰徑流系數(shù)相比于其他水文分區(qū)要低，這主要是因?yàn)楦魉姆謪^(qū)不同頻率下的設(shè)計(jì)洪峰徑流系數(shù)主要是根據(jù)各水文分區(qū)設(shè)計(jì)洪量徑流系數(shù)αP，通過α—φ綜合關(guān)系計(jì)算得到的，因此和不同頻率的洪量徑流系數(shù)均有較高的關(guān)聯(lián)度。

4 研究結(jié)論

(1)遼寧西部干旱丘陵山區(qū)小流域降雨稀少，植被差，屬非飽和產(chǎn)流區(qū)，匯流速度快，洪水過程尖瘦，河槽調(diào)蓄能力差，α相同時(shí)，對(duì)應(yīng)的φ值大于東部飽和產(chǎn)流區(qū)。遼東半島濕潤(rùn)丘陵區(qū)、西部半干旱丘陵區(qū)從產(chǎn)匯流和植被條件綜合考慮介于飽和與非飽和之間，故α—φ關(guān)系線也介于兩者之間。

(2)結(jié)合不同水文分區(qū)設(shè)計(jì)洪峰和洪量徑流系數(shù)計(jì)算成果，基于本文介紹的小流域設(shè)計(jì)洪峰和洪量簡(jiǎn)化公式，可以對(duì)流域面積在200～1000km2尤其是在無徑流資料的小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算得到應(yīng)用。

(3)本文的設(shè)計(jì)洪峰和洪量徑流系數(shù)成果適合于流域面積在200～1000km2的小流域，對(duì)于流域面積低于200km2的適用性還需要進(jìn)一步探討。