涪江流域涪江橋水文站設(shè)計洪水分析研究

鞠玉梅,張恩浩,樊玨

(1.四川省水文水資源勘測中心,成都,610036;2.西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,成都,610039)

設(shè)計洪水成果是確定河流治理方案和開發(fā)水利水電工程規(guī)模的重要依據(jù)數(shù)據(jù),是開展流域水旱災(zāi)害防御工作的重要支撐數(shù)據(jù)。目前許多水文學(xué)者針對流域設(shè)計洪水計算做了不少研究[1]。本文以涪江流域為例,選取流域內(nèi)涪江橋水文站實測年最大流量資料,分析研究受氣候及下墊面條件變化影響后流域設(shè)計洪水成果的變化情況。

1 流域概況

1.1 流域基本情況

涪江是嘉陵江右岸支流,發(fā)源于松潘縣黃龍鄉(xiāng)岷山雪寶頂峰西北之雪山梁子。河長660km,流域面積35982m2,水系呈樹枝狀發(fā)育,支流眾多。河源至江油市武都鎮(zhèn)為上游;武都鎮(zhèn)至遂寧市城區(qū)為中游;遂寧城區(qū)至河口為下游。上游段屬龍門山斷裂褶皺帶,變質(zhì)巖發(fā)育,地面起伏大,河道行于高山峽谷中,河谷狹窄,僅平武縣南壩鎮(zhèn)一帶有沿河平壩,中下游段屬四川臺向斜川北臺凹平緩褶皺帶。流域內(nèi)氣候溫和,年均氣溫15℃～18℃,年降水量一般800mm～1400mm。干支流洪枯水量變化很大,大支流凱江、梓潼江枯水期甚至有斷流現(xiàn)象。

1.2 涪江橋水文站基本情況

涪江流域綿陽市境內(nèi)有涪江橋水文站,設(shè)立于1954年8月,位于綿陽市石馬鎮(zhèn)七姓村、寶成鐵路大橋下游480m處涪江左岸,東經(jīng)104°44′、北緯31°31′,集水面積11908km2,域內(nèi)河長292km,至河口距離378km,高程系統(tǒng)于2023年改為85黃?；?。該站收集有1954-2021年共68a的年最大流量資料(其中1961年是通過年最高水位查水位流量關(guān)系線得到),分析知年最大流量整體呈下降趨勢。涪江橋河段在1984年調(diào)查到3場可靠或較可靠的歷史洪水:1902年(較可靠,14800 m3/s)、1945年(較可靠,12600 m3/s)、1978年(可靠,10300 m3/s,在實測資料中)。

涪江流域涪江橋站上游58km處建有武都水庫,武都水庫為大型水庫,于2004年開工,2013年建成。

2 “三性”審查

根據(jù)《水利水電工程水文計算規(guī)范》(SL/T 278-2020)的相關(guān)規(guī)定,對涪江橋站的年最大流量資料進行可靠性、代表性、一致性“三性”審查[2]。

2.1 可靠性審查

涪江橋站依據(jù)數(shù)據(jù)均為整編后提交的成果,經(jīng)緯度信息齊全,年最大流量資料的測驗和整編都嚴格按照國家或部頒相關(guān)規(guī)范進行,且均經(jīng)省水文中心組織復(fù)審整編,達到國家水文資料編印標準,資料真實可靠。

2.2 代表性審查

代表性是指樣本的統(tǒng)計特性能否很好地反映總體的統(tǒng)計特性,即樣本與總體的接近程度。從資料系列的周期性、穩(wěn)定性和代表期來檢驗代表性。本次采用涪江橋站年最大流量系列對代表性進行分析。

2.2.1 周期性分析

本次分析采用模比系數(shù)差積曲線來反映周期性。

模比系數(shù)差積曲線表示為:Si=Si-1+(Ki-1)

經(jīng)過周期性分析,涪江橋站系列資料滿足周期性。周期性分析如圖1、圖2所示,過程線中有上升段、下降段、穩(wěn)定段,表示年最大流量系列周期性較好。

圖1 最大流量模比系數(shù)差積曲線

圖2 年最大流量小波分析曲線

2.2.2 穩(wěn)定性分析

分析涪江橋站年最大流量資料模比系數(shù)累積平均值曲線(見圖3)來反映其穩(wěn)定性,系列模比系數(shù)累積平均值計算到一定年限,數(shù)值波動幅度逐漸變小,并逐漸趨近于1.0,這時認為曲線值具有一定的穩(wěn)定性。經(jīng)過穩(wěn)定性分析,涪江橋站資料系列的模比系數(shù)累積平均值逐漸趨近于1.0,說明穩(wěn)定性好。

圖3 累積量平均模比系數(shù)過程線

涪江橋站歷年最大洪峰流量穩(wěn)定性好,且包含了豐、平、枯水年的周期變化情況,資料具有較好代表性,可用于設(shè)計洪水分析計算。

2.3 一致性審查

年最大流量系列滿足一致性假定是進行設(shè)計洪水分析計算的前提,本文采用累積年最大流量檢查法檢驗系列是否滿足一致性,如果不滿足,采用Pettitt突變檢測法進行異常值分析。

2.3.1 累積年最大流量檢查

計算涪江橋站累積年最大流量,并繪制累積年最大流量的過程線,如圖4所示,涪江橋站年最大流量累積過程線中1982年有個突變,2013年以后變化也很明顯,不滿足一致性檢驗。

圖4 年最大流量累積過程線

2.3.2 還原計算

2013年以后涪江橋站年最大流量累積過程線變化明顯是因為涪江橋站上游58km處武都水庫的調(diào)蓄影響。武都水庫在2013年后有水庫水情表,記錄了不同時段出、入庫流量及水庫蓄水量,因此可對涪江橋站2013年及以后的流量數(shù)據(jù)進行還原計算[3]。

考慮洪水傳播時間,再采用馬斯京根法,將武都水庫出、入庫流量演算到涪江橋站,用涪江橋站實測流量減去武都水庫出庫流量演算到該站所對應(yīng)時段的流量,同時加上武都水庫入庫流量演算到該站所對應(yīng)時段的流量,最終得到涪江橋站還原后的實際洪峰流量,再從還原后的流量中找到對應(yīng)的實測年最大流量。

還原后涪江橋站2018年年最大流量為14169 m3/s(取3位有效位數(shù)后為14200m3/s),比1902年歷史調(diào)查洪水略小,2020年的年最大流量為13070 m3/s(取3位有效位數(shù)后為13100m3/s),比1945年歷史調(diào)查洪水大。還原后得到1954-2021年的年最大流量還原后系列。

2.3.3 Pettitt突變檢測

利用Pettitt突變檢測法分析涪江橋站年最大流量發(fā)生突變的具體年份。Pettitt突變檢測法是由Pettitt提出的一種非參數(shù)檢驗方法[4],可識別水文時間序列中的突變點,同時也可以量化變異點在統(tǒng)計意義上的顯著水平。該方法使用 Mann-Whitney 的統(tǒng)計量Ut,N來檢驗來自同一個總體x(t)的兩個樣本序列(x1,x2,…,xt)和(xt+1,xt+2,…,xN)。在檢測到突變點后,其將水文時間序列數(shù)據(jù)分為兩個區(qū)間,每個區(qū)間均具有異質(zhì)性特征。Ut,N的計算公式為:

式中,xt和xj分別為第t、j個時間序列值;N為序列中元素的個數(shù);sgn為符號函數(shù):

若p> 0.95,則認為檢測出的突變點在α= 0.05下是顯著的。本文使用Pettitt突變檢測法對涪江橋站年最大流量系列進行突變檢測,可知突變點為1982年。

3 設(shè)計洪水分析計算

本次設(shè)計洪水分析計算分四種情況:(1)采用1982年突變前涪江橋站年最大流量系列(1954-1981年,1961年通過最高水位查水位流量關(guān)系線插補的流量),加入1902、1945、1978年歷史洪水組成不連續(xù)系列計算;(2)采用1982年突變后涪江橋站年最大流量系列(1982-2021年,2018、2020年年最大流量作為特大值處理,建庫后系列未還原),加入1902、1945年歷史洪水組成不連續(xù)系列計算;(3)采用1982年突變后涪江橋站年最大流量系列(1982-2021年,2018、2020年年最大流量作為特大值處理,建庫后系列還原),加入1902、1945年歷史洪水組成不連續(xù)系列計算;(4)采用涪江橋站1954-2021年全部系列(2018、2020年年最大流量作為特大值處理,建庫后系列還原),加入1902、1945、1978年歷史洪水組成不連續(xù)系列計算。四種情況分別進行經(jīng)驗頻率計算,以矩法計算統(tǒng)計參數(shù)的初值,采用皮爾遜Ⅲ型理論頻率曲線,通過經(jīng)驗適線確定統(tǒng)計參數(shù)及計算值。涪江橋站不同情況下設(shè)計洪水成果見表1。由表1可知,站點設(shè)計洪水成果中年最大流量均值1982年突變前明顯大于突變后,突變前百年一遇設(shè)計洪水成果偏小,5年一遇設(shè)計洪水成果明顯偏大;受干流武都水庫調(diào)蓄削峰影響,2013年建庫后涪江橋站年最大流量偏小,年最大流量還原后設(shè)計洪水值較還原前增大,百年一遇設(shè)計洪水值增大更多,但水庫調(diào)蓄影響的影響程度沒有1982年突變前后的影響程度大。

表1 涪江橋站不同情況設(shè)計洪水成果對比

4 結(jié)語

本文選取涪江流域內(nèi)涪江橋水文站實測年最大流量資料,對比突變年份前后的變化,分析研究受氣候及下墊面條件變化影響后流域設(shè)計洪水成果的變化情況。研究結(jié)果表明,受氣候和下墊面條件變化影響,涪江流域涪江橋水文站年最大流量整體呈下降趨勢,站點設(shè)計洪水成果中年最大流量均值1982年突變前明顯大于突變后,突變前百年一遇設(shè)計洪水成果偏小,5年一遇設(shè)計洪水成果偏大;2010年以后,極端情況較往年有所增加,涪江流域多次遭遇大洪水,受干流武都水庫調(diào)蓄削峰影響,2013年建庫后涪江橋站年最大流量偏小,年最大流量還原后設(shè)計洪水值較還原前增大,百年一遇設(shè)計洪水值增大更多,但水庫調(diào)蓄影響的影響程度沒有1982年突變前后的影響程度大。本文的設(shè)計洪水分析研究成果為涪江流域水旱災(zāi)害防御工作提供了數(shù)據(jù)支撐,為其他同樣受氣候及下墊面條件變化影響的流域設(shè)計洪水復(fù)核分析提供了方法參考。