無實測資料斷面設計洪水推求方法探討

許繼良 徐 慧

（1. 浙江省水利水電勘測設計院 杭州 310002；2. 常山縣水利局 浙江衢州 324200）

1 問題的提出

對于無實測資料斷面設計洪水，小流域洪水一般采用地區暴雨洪水綜合法，較大流域洪水通常采用面積指數法（流量法）推求設計洪水。實際運用中，由于受水文測站分布等因素影響，僅采用傳統水文學方法推求無實測資料斷面設計洪水，其參數的率定、驗證通常較為困難，對設計成果精度影響較大。

某流域河長141km，流域面積2436km2。分大、小兩源，主源集水面積1376km2，支源集水面積 644km2。大、小兩源匯合口下游的沙頭鎮集水面積約2140km2，其斷面設計洪水的準確性關乎到下游縣城核心區域防洪安全。

沙頭斷面無水文站實測流量資料，主源設有石柱水文站，控制流域面積 1273km2，自 1956年有實測流量資料，同時有1853、1905、1920、1922年等歷史洪水資料。支源設有碧蓮站，控制流域面積 433km2，實測流量資料系列為1957～1993年，同時有1912、1920年等歷史洪水資料。以往規劃設計中均采用面積指數法推求沙頭斷面設計洪水，以石柱水文站作為參證站，面積指數采用經驗指數0.8，20年一遇沙頭斷面設計洪峰流量約為 12000m3/s。該設計成果被普遍運用于下游防洪工程的規劃設計中。從水文設計角度而言，該方法符合我省以往水文設計經驗，具有一定的科學性。但由于斷面無實測資料，且設計斷面控制流域面積與參證站控制流域面積相差較大，面積指數按省經驗指數選取，對設計成果準確性可能帶來一定的影響。

本文試通過水文、水力學結合分析方法，充分利用石柱水文站、碧蓮水文站實測流量資料，以及區間各降雨站降雨資料，通過構建水文、水動力耦合模型，將無實測資料的沙頭斷面水文設計模型拓展至有實測資料的上塘潮位站水文、水動力耦合設計模型，以上塘潮位站實測水位對設計模型進行率定、驗證，從而求得沙頭設計斷面歷史洪峰過程，再以傳統的水文統計方法求得沙頭斷面各設計頻率洪峰過程。

2 流域基本資料

2.1 水文站

流域主源上有石柱水文站，支源上有碧蓮水文站。兩站于 1956年設立，進行水位、流量、降水、泥沙等項目觀測，流域面積分別為1273km2和 433km2。

2.2 降水量站

設計流域內降水量站有上塘、潭頭、里樟等站，各降水量站統轄于浙江省水文勘測局，觀測資料經統一整編、校對，精度可靠，可作為工程設計的基本資料。同時，各降水量站域內分布基本合理，基本反映設計流域的降水特性，為工程設計提供了可靠的依據。

2.3 水位站

域內設計斷面沙頭鎮下游設有上塘潮位站，擁有近 20年水位觀測資料，可作為計算分析工作的驗證站。各測站分布情況見圖1。

圖1 流域水系測站分布圖

3 分析方法及成果

本文通過構建水文水動力耦合計算模型，以有實測資料的碧蓮站及石柱站作為水動力模型上邊界，河口潮位站作為計算下邊界，區間小流域設計洪水采用傳統的水文暴雨推求洪水模型與水動力模型進行耦合，利用設計斷面下游上塘站實測水位作為耦合模型率定、驗證數據，計算歷史沙頭洪水，再輔以傳統水文統計方法推求沙頭斷面各頻率設計洪水。該方法一定程度上解決了無實測資料斷面推求設計洪水參數選用及模型率定、驗證問題。

3.1 水文模型參數率定及驗證

本文選用碧蓮有實測資料的，距今時間較近，洪峰流量較大的1987年及1992年兩場較大洪水對水文模型進行率定、驗證。驗證成果見圖2，圖 3。

3.2 水動力計算模型率定

對河道水動力計算模型采用 2004年云娜臺風洪水為驗證洪水，模擬成果見表1.

由表1結果可得，各特征點實測水位與模型計算水位差均在 0.1m以內，模擬精度較好，計算模型所采用的特征參數可用于成果計算。

3.3 耦合模型計算驗證

采用上述經參數率定后的計算模型，對1961～2009年大洪水進行模擬，為去除初值計算帶來的影響，使得計算盡量符合實際發生情況，選用較大洪水，采用永嘉縣上塘水位站有實際觀測的水位對計算成果再次進行驗證、比較，成果見表2。由表2成果可得，采用水文水動力耦合計算模型模擬歷史各場較大洪水，用上塘水位站實測水位進行驗證對比，各場洪水計算值與實測值差距均在0.3m以內，說明模型對流域產、匯流模擬較好。

圖2 1987年模型率定成果對比圖

圖3 1992年模型驗證成果對比圖

表1 云娜臺風洪水實測、計算水位對比表 單位：m

3.4 沙頭設計洪水推求

計算得到的沙頭斷面設計歷史年最大洪峰流量成果見表3。對1960～2009年沙頭段面流量進行適線，成果見圖4。各頻率洪峰流量見表4。

表2 歷年上塘水位站水位與計算水位對比成果表 單位：m

表3 1960～2009年沙頭斷面計算最大洪峰流量成果表 單位：m3/s

圖4 沙頭斷面流量適線圖

表4 沙頭斷面各頻率洪峰流量成果表

由于水文水動力計算耦合模型考慮了石柱、碧蓮水文站實際發生洪峰的錯時，水文站以下河道對洪水的坦化作用以及河口潮位的頂托作用，又以能夠掌握的各種實測數據對模型進行了率定、驗證，其所計算出來的沙頭流量基本能反映實際發生的流量過程。

經分析，沙頭斷面20年一遇流量9230m3/s，50年一遇洪峰流量11200m3/s，100年一遇洪峰流量12700m3/s，300年一遇洪峰流量14900m3/s。相比傳統面積指數法求得的沙頭斷面洪峰流量，以20年一遇洪峰流量為例，小約20%。

4 結語

在推求無實測資料設計洪水時，單純以水文學方法，受流域測站分布等因素制約，其參數率定、驗證較為困難，給設計成果帶來了更多的不確定性。本文提出構建流域水文水動力耦合模型的設計思路，將流域水文站、河道、參證站等要素通過模型結合起來，推求設計斷面歷史洪水，再輔以水文統計方法推求設計洪水的思路，經某流域斷面設計洪水項目驗證，被證明具有相對較高的精度，可為今后類似情況洪水設計提供一種設計思路。

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