基于同頻率法的清江上游干流洪水組合分析

王偉，劉倫華，余之光，黃緒臣

摘要：清江上游地區(qū)干支流水情復雜，且存在已建控制性調(diào)蓄工程。為確定清江姚家平水利樞紐防洪庫容需求，利用同頻率法分析了湖北省恩施市上游清江干流多區(qū)間洪水組合。結(jié)果表明，清江上游干流共有4種組合洪水工況：① 大龍?zhí)秹沃放c姚家平壩址發(fā)生同頻率洪水，上區(qū)間發(fā)生相應洪水；② 大龍?zhí)秹沃放c上區(qū)間發(fā)生同頻率洪水，姚家平壩址發(fā)生相應洪水；③ 大龍?zhí)秹沃废鄳樗c姚家平壩址發(fā)生同頻率洪水，上區(qū)間發(fā)生相應洪水；④ 大龍?zhí)秹沃废鄳樗c上區(qū)間發(fā)生同頻率洪水，姚家平壩址發(fā)生相應洪水。最后選取了有代表性的1982年7月、1989年7月、1996年7月洪水作為洪水地區(qū)組成分析的典型代表，推求了不同情況下姚家平水利樞紐壩址設計洪水。研究成果可為恩施市城區(qū)防洪調(diào)度提供參考。

關鍵詞：設計洪水； 洪水組合； 同頻率法； 清江流域

中圖法分類號：TV122文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.002

文章編號：1006-0081（2023）09-0011-04

0引言

設計洪水是確定河道樞紐設計的重要參數(shù)，是涉水工程規(guī)劃設計、防洪調(diào)度的核心。對于干支流分布調(diào)蓄作用較大的梯級水庫，確定區(qū)域洪水組合是必要的。恩施姚家平水利樞紐防洪對象為恩施市城區(qū)，根據(jù)湖北省人民政府批復的《恩施市城市總體規(guī)劃（2011-2030）（2016年修訂）》，到2030年，城市人口60萬人，防護區(qū)等別為Ⅲ等，防洪標準為50 a一遇洪水標準。姚家平壩址以上洪水和姚家平—恩施市區(qū)間（以下簡稱“姚—恩”區(qū)間）有兩個較大支流匯入，且有已建大龍?zhí)端畮靺⑴c防洪調(diào)度，多斷面多區(qū)間洪水遭遇組成復雜多變。目前，受上游水庫調(diào)蓄影響的設計洪水計算方法主要有地區(qū)組成法［1-5］、頻率組合法［6-7］、隨機模擬法［8-9］、實測暴雨移置法［10］、多方法集成［11］等。針對多水庫、多區(qū)間，目前較少有明確的頻率組合方法用以計算設計洪水。因此，本文提出采用多層次同頻率洪水地區(qū)組成法，分析研究恩施市城區(qū)設計洪水組合，旨在為恩施市城區(qū)防洪工程的設計與調(diào)度提供參考。

1研究區(qū)域概況

清江是長江中游南岸的一級支流，發(fā)源于湖北省利川市齊躍山東麓。恩施市以上清江干流有多處梯級電站，其中只有姚家平、大龍?zhí)毒哂休^好的調(diào)節(jié)性能，可承擔恩施市的防洪任務。姚家平水利樞紐壩址位于清江上游恩施市境內(nèi)，下游距恩施市城區(qū)約38 km。壩址以上流域面積1 928 km2，水庫正常蓄水位745.00 m，防洪庫容1.1億m3，總庫容為3.20億m3。大龍?zhí)端畮靿沃芬陨狭饔蛎娣e2 396 km2，水庫正常蓄水位461 m，防洪庫容2 700萬m3，總庫容為5 200萬m3。

在研究洪水地區(qū)組成時，需考慮姚家平水庫和大龍?zhí)端畮旒跋鄳獏^(qū)間的洪水地區(qū)組成。恩施市洪水由姚家平壩址洪水、姚家平壩址至大龍?zhí)秹沃穮^(qū)間（簡稱“上區(qū)間”）洪水、大龍?zhí)秹沃返蕉魇﹨^(qū)間（簡稱“下區(qū)間”）洪水3部分組成，詳見圖1。

2研究方法

2.1多層次同頻率地區(qū)組成法

多層次同頻率地區(qū)組成法是根據(jù)防洪要求，先假定出現(xiàn)下游設計斷面洪水Wn與上游設計斷面同頻率的洪水Wn+1，另一區(qū)間出現(xiàn)相應洪水Qn+1，相應洪量總數(shù)則按水量平衡原則推求Qn+1=Wn-Wn+1，然后依次類推至上一個設計斷面洪水Wn+2和區(qū)間洪水Qn+2［12］，詳見圖2和表1。

2.2洪水組合分析

湖北恩施清江上游干流組合洪水工況如下（表2）。

（1） 恩施站與大龍?zhí)秹沃钒l(fā)生同頻率洪水，下區(qū)間發(fā)生相應洪水。該組合又包括兩種可能組合：① 大龍?zhí)秹沃放c姚家平壩址發(fā)生同頻率洪水，上區(qū)間發(fā)生相應洪水，即組合一；② 大龍?zhí)秹沃放c上區(qū)間發(fā)生同頻率洪水，姚家平壩址發(fā)生相應洪水，即組合二。

（2） 恩施站與下區(qū)間發(fā)生同頻率洪水，大龍?zhí)秹沃钒l(fā)生相應洪水。為進一步分析洪水地區(qū)組成情況，需分析大龍?zhí)秹沃废鄳樗畬l率。經(jīng)分析，恩施與下區(qū)間發(fā)生50 a一遇頻率洪水時，大龍?zhí)秹沃废鄳樗鞠喈斢?0 a一遇頻率洪水。則該組合可進一步分為兩種組合：① 大龍?zhí)秹沃废鄳樗c姚家平壩址發(fā)生同頻率洪水，上區(qū)間發(fā)生相應洪水，即組合三；② 大龍?zhí)秹沃废鄳樗c上區(qū)間發(fā)生同頻率洪水，姚家平壩址發(fā)生相應洪水，即組合四。

2.3典型洪水過程選取

通過多次大洪水的暴雨分析，大部分情況下姚家平壩址以上和姚家平壩址-恩施斷面（姚-恩）區(qū)間的降水量分布比較均勻，但約有30%的情況下區(qū)間降水量明顯較大，其洪水組成比較復雜。由于姚家平水文站的實測資料較少，在選取多個代表性的典型洪水過程時，主要以對應的最大24 h降水量為依據(jù)，來判斷姚家平壩址以上、上區(qū)間、下區(qū)間的洪水大小。分別按干流為主、上區(qū)間為主、上游干流和區(qū)間較均勻這3種情況選取代表性的典型洪水組成，根據(jù)各區(qū)間降水量比較，選取有代表性的1982年7月、1989年7月、1996年7月洪水作為洪水地區(qū)組成分析的典型代表，見表3。

2.4區(qū)間同頻率設計洪水

姚家平壩址至恩施斷面之間河道長38 km（流域面積F=1 000.4 km2），由上、下兩區(qū)間組成，上區(qū)間為姚家平壩址-大龍?zhí)秹沃罚饕Я饔熊噳魏樱‵=252.3 km2）和龍橋河（F=93.5 km2）；下區(qū)間為大龍?zhí)秹沃?恩施（F=532 km2），主要支流有帶水河（F=490 km2）。考慮到龍橋河面積比較小，將上區(qū)間以車壩河（占上區(qū)間面積的53.9%）作為典型設計洪水單元，下區(qū)間以帶水河（占區(qū)間面積92.1%）為典型設計洪水單元，分別以暴雨途徑按瞬時單位線法計算出各單元的典型設計洪水，再以洪峰流量面積比指數(shù)分別放大到上、下區(qū)間，求得上、下區(qū)間的設計洪水過程。姚家平至恩施上、下區(qū)間設計洪水成果見表4。

2.5典型斷面設計洪水

大龍?zhí)端畮祀娬?005年8月發(fā)電，此后恩施水文站流量資料受到一定程度的影響，設計采用1958～2004年共47 a實測水文系列資料進行水文分析，求得恩施站設計洪水成果。姚家平壩址設計洪水利用恩施站設計洪水移置，按洪峰流量面積比指數(shù)0.642，計算求得壩址設計洪水。系列延長后，姚家坪壩址、大龍?zhí)秹沃贰⒍魇┧恼驹O計洪峰流量較姚家平水利樞紐項目建議書成果及大龍?zhí)冻醪皆O計成果略?。ū?），其中恩施站較項目建議書減小幅度為2.7%，相關設計成果基本一致。

2.6相應洪水與地區(qū)洪水組合成果

根據(jù)姚家平和恩施站歷年實測同次洪水資料統(tǒng)計，姚家平壩址至恩施河段洪水傳播時間平均約3 h，其中上區(qū)間（姚家平壩址-大龍?zhí)秹沃罚?6 km）洪水傳播時間約2 h，下區(qū)間（大龍?zhí)秹沃?恩施，12 km）洪水傳播時間約1 h。當恩施站與大龍?zhí)栋l(fā)生同頻率洪水時，下區(qū)間相應洪水以大龍?zhí)秹沃吠l率洪水演進至恩施站的過程與恩施站設計洪水相減得到；當大龍?zhí)秹沃放c姚家平壩址發(fā)生同頻率洪水時，上區(qū)間相應洪水以姚家平壩址同頻率洪水演進至大龍?zhí)秹沃返倪^程與大龍?zhí)秹沃吩O計洪水相減得到；當大龍?zhí)秹沃放c上區(qū)間發(fā)生頻率洪水時，姚家平壩址相應洪水以上區(qū)間頻率洪水演進至大龍?zhí)秹沃返倪^程與大龍?zhí)秹沃返脑O計洪水相減得到。當恩施站與下區(qū)間發(fā)生同頻率洪水時，大龍?zhí)秹沃废鄳樗韵聟^(qū)間同頻率洪水演進至恩施站的過程與恩施站設計洪水相減得到；此時姚家平壩址和上區(qū)間按面積比分配大龍?zhí)秹沃废鄳樗?。根?jù)上述分析計算，組成各區(qū)域設計洪水過程，其中50 a一遇洪水洪峰流量成果見表6。

3結(jié)語

清江上游地區(qū)是湖北恩施等重要城市的所在地，由于該地區(qū)干支流水情復雜，且存在已建控制性調(diào)蓄工程。本文針對湖北恩施以上清江干流來流以及已建樞紐情況，利用多層次同頻率洪水地區(qū)組成法，對多水庫、多區(qū)間地區(qū)洪水組合進行了分析，研究成果可為恩施市防洪調(diào)度提供參考。

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（編輯：江文）

Combined flood analysis of main stream in upper Qingjiang River?based on same frequency method

WANG Wei1，LIU Lunhua2，YU Zhiguang1，HUANG Xuchen1

（1.Hubei Water Resources and Hydropower Planning Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430070，China；2.Hubei Provincial Administration of River Diversion Project，Wuhan 430070，China）

Abstract： The water flow of main and branch rivers in upstream Qingjiang River was complex，and there were already built control storage projects.In order to determine the demand for flood control storage capacity of Yaojiaping Water Control Project on the Qingjiang River，we used the same frequency method to analyze the multi-interval flood combination on the main stream of the Qingjiang River in the upper reaches of Enshi City，Hubei Province.The results indicated that there were four operating conditions for the combined flood of the upper reaches of the Qingjiang River.① The Dalongtan Dam site and Yaojiaping Dam site experienced floods of the same frequency，with corresponding floods occured in the upper section；② The same frequency of floods occurred at the Dalongtan Dam site and the upper section，while corresponding floods occurred at the Yaojiaping Dam site；③ The corresponding floods at the Dalongtan Dam site occurred at the same frequency as those at the Yaojiaping Dam site，with corresponding floods occurring in the upper section；④ The corresponding floods at the Dalongtan Dam site occurred at the same frequency as those in the upper section，while the corresponding floods occurred at the Yaojiaping Dam site.Finally，the representative floods of July 1982，July 1989，and July 1996 were selected as typical representatives for the analysis of flood area composition，and the design floods of the Yaojiaping Water Conservancy Complex dam site under different working conditions were calculated.The research results can provide a reference for flood control scheduling in urban areas of Enshi City.

Key words： design flood； combined flood； same frequency method； Qingjiang River Basin