無資料地區(qū)水文系列移用簡(jiǎn)化算法

王貴孝，吳明官

( 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

1 問題的提出

目前水利水電工程項(xiàng)目建議書、可研和初設(shè)報(bào)告，水利計(jì)算規(guī)范中要求多年調(diào)節(jié)水庫(kù)盡可能采用長(zhǎng)系列法進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，所以工程不同設(shè)計(jì)階段，在無資料地區(qū)也應(yīng)該采用相應(yīng)精度的計(jì)算方法。

我省多數(shù)地區(qū)修建工程項(xiàng)目，一般為多年調(diào)節(jié)的蓄水工程。多年調(diào)節(jié)水庫(kù)概率法興利調(diào)節(jié)計(jì)算中，多年庫(kù)容往往較難推求，勉強(qiáng)推求的結(jié)果與實(shí)際情況往往出入較大，故常采用長(zhǎng)系列法進(jìn)行興利調(diào)節(jié)計(jì)算，在無資料地區(qū)也需要推求工程地點(diǎn)的設(shè)計(jì)年徑流系列。

在無資料地區(qū)水文系列移用，目前我省常用的方法是均值修正法和均值、變差系數(shù)試算修正法。均值修正法雖方法簡(jiǎn)單，但當(dāng)遇到參證站與設(shè)計(jì)站變差系數(shù)差距較大時(shí)，滿足不了設(shè)計(jì)精度; 而均值、變差系數(shù)試算修正法可以滿足規(guī)定的設(shè)計(jì)精度，但是試算工作量較大，并且缺乏經(jīng)驗(yàn)者不易掌握。因此，筆者特提出無資料地區(qū)水文系列移用簡(jiǎn)化算法。

2 計(jì)算方法

2.1 參證站統(tǒng)計(jì)參數(shù)

根據(jù)參證站已知的水文系列，先進(jìn)行由大到小排序后系列X( j) ，計(jì)算相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)頻率P( j) ，j = 1、2、3……n，采用矩法推求相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，即均值XX和變差系數(shù)Cvx，偏態(tài)系數(shù)Csx = 2Cvx( 一般取固定倍比關(guān)系) 。然后再根據(jù)均值XX 和變差系數(shù)Cvx，偏態(tài)系數(shù)Csx = 2Cvx，查皮爾遜Ⅲ型理論曲線的模比系數(shù)Kpx( i) 、Ps( i) ，i = 1、2、3……m。

2.2 設(shè)計(jì)站統(tǒng)計(jì)參數(shù)

在水文圖集或已知統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖上，查得設(shè)計(jì)站未知的水文系列Y( j) ，j = 1、2、3……n，相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，即均值YY 和變差系數(shù)Cvy，偏態(tài)系數(shù)Csy = 2Cvy( 取固定倍比關(guān)系) 。

然后再根據(jù)均值YY 和變差系數(shù)Cvy，偏態(tài)系數(shù)Csy = 2Cvy，查皮爾遜Ⅲ型理論曲線的模比系數(shù)Kpy( i) 、Ps( i) ，i = 1、2、3……m。

2.3 簡(jiǎn)化算法

式中: Y( j) 為由大到小排序后的設(shè)計(jì)站水文系列;X( j) 為由大到小排序后的參證站水文系列; K( j) 為由經(jīng)驗(yàn)頻率內(nèi)插的設(shè)計(jì)站與參證站模比系數(shù)的比值; P( j) 為水文系列排序后對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)頻率，%;Ps( i) 為設(shè)計(jì)頻率，%; Kp( i) 為設(shè)計(jì)站與參證站模比系數(shù)的比值; Kpy( i) 為設(shè)計(jì)站模比系數(shù); Kpx( i)為參證站模比系數(shù); A 為設(shè)計(jì)站與參證站均值的比值; YY 為設(shè)計(jì)站水文系列均值; XX 為參證站水文系列均值。

3 實(shí) 例

下面舉哈爾濱市磨盤山水庫(kù)供水工程可行性研究—水文分析成果中，推求磨盤山水庫(kù)～向陽(yáng)山區(qū)間年徑流系列的實(shí)例［1］，具體計(jì)算成果如下:

3.1 流域概況

拉林河為松花江干流右岸的一級(jí)支流，流域面積19 200 km2，屬黑龍江省流域面積為10 600 km2，占全流域面積的55%。拉林河是黑、吉兩省界河，流經(jīng)尚志、五常、雙城、舒蘭、榆樹、扶余6個(gè)市縣。在哈爾濱市以上150 km處匯入松花江。拉林河干流磨盤山水庫(kù)以下有三大支流，右岸有牤牛河流域面積5 300 km2;左岸有溪浪河流域面積3 040 km2、卡岔河流域面積3 085 km2。

流域內(nèi)地勢(shì)東南高，向西北逐漸降低。流域內(nèi)山區(qū)面積占36.4%，森林茂密植被較好; 丘陵區(qū)占26.4%;平原區(qū)占37.2%。

拉林河干流河長(zhǎng)450 km，河道彎曲系數(shù)為1.95。向陽(yáng)山以上為山區(qū)，谷窄流急，在沈家營(yíng)處河谷寬僅500 m，河道寬55 m左右，灘地坡降約1/200。磨盤山水庫(kù)為拉林河干流最上一級(jí)水庫(kù)，是歷次拉林河流域規(guī)劃中推薦的第一期工程。壩址位于拉林河干流上游五常市沙河子鄉(xiāng)沈家營(yíng)村上游1.8 km附近，距河口343 km，控制面積為1 151 km2。

3.2 水文基本資料

拉林河流域內(nèi)現(xiàn)有沈家營(yíng)、五常、蔡家溝、舒蘭、七里二、四平山、沖河、龍鳳山水庫(kù)、大碾子溝、老街基、亮甲山水庫(kù)、榆樹、前紅石砬子(1950—1981年為水文站) 等13 處水文站; 水位站有向陽(yáng)山、牛頭山、前紅石砬子等3 處，過去曾有過新立屯、香磨、小葦沙等水位站。

根據(jù)磨盤山水庫(kù)工程地點(diǎn)和資料情況，選用的主要分析測(cè)站有牤牛河大碾子溝站和拉林河的沈家營(yíng)、五常( 雙龍屯) 站。參考站有拉林河干流蔡家溝站和溪浪河的舒蘭、七里二站。

拉林河干流有3 處水文站，即沈家營(yíng)、雙龍屯( 五常) 、蔡家溝站。

沈家營(yíng)水文站于1952年6月設(shè)立，同月開始觀測(cè)水位，1955年開始測(cè)流。1952—1954年有汛期水位，流量為插補(bǔ)成果。

雙龍屯( 五常) 水文站于1952年7月設(shè)立，同月開始觀測(cè)水位，1953年7月改為水文站。

蔡家溝水文站于1926年4月設(shè)立，沒有連續(xù)觀測(cè)，1950年改為水文站。

大碾子溝站于1940年5月設(shè)立，1945年因故停測(cè)，1950年7月1日改為水文站。

3.3 工程地點(diǎn)年徑流

沈家營(yíng)水文站基本水尺兼測(cè)流斷面下游170 m處，集水面積非常接近于水文站以上的流域面積1 151 km2，故直接采用沈家營(yíng)水文站年徑流成果代替壩址處年徑流。

拉林河干流沈家營(yíng)水文站現(xiàn)有1952—1998年共47 a實(shí)測(cè)水位資料，其中:1955—1998年有流量成果，1952—1954年流量由水位～流量關(guān)系曲線插補(bǔ)得。

該水庫(kù)是以城鎮(zhèn)供水為主，結(jié)合防洪、灌溉等綜合利用的蓄水工程。所以為了滿足灌溉需要4—8月份按旬統(tǒng)計(jì)徑流量，其它月份按月統(tǒng)計(jì)徑流量。

為了滿足系列法興利調(diào)節(jié)計(jì)算的設(shè)計(jì)要求，把1952—1998年沈家營(yíng)站逐年逐月( 旬) 徑流量作為磨盤山水庫(kù)壩址以上天然來水系列。

為了簡(jiǎn)化起見，本次沈家營(yíng)站( 磨盤山水庫(kù)) 只取1952—1986年35 a徑流系列，多年平均年徑流量為570.57 ×106m3，變差系數(shù)Cv = 0.27 。

3.4 區(qū)間面積

1) 沈家營(yíng)～向陽(yáng)山區(qū)間

2) 沈家營(yíng)～民樂區(qū)間

3) 向陽(yáng)山～民樂區(qū)間

式中: F向陽(yáng)為向陽(yáng)渠首以上流域面積; F沈?yàn)樯蚣覡I(yíng)水文站以上流域面積; F區(qū)1為沈家營(yíng)～向陽(yáng)山區(qū)間面積; F民樂為民樂渠首以上流域面積; F溪為本次扣除的溪浪河流域面積; F舒蘭為舒蘭水文站以上流域面積; F七里二為七里二水文站以上流域面積; F區(qū)2為沈家營(yíng)～民樂區(qū)間面積; F區(qū)3為向陽(yáng)山～民樂區(qū)間面積。

3.5 區(qū)間年徑流系列

為簡(jiǎn)化起見，下面只計(jì)算沈家營(yíng)～向陽(yáng)山區(qū)間年徑流系列。設(shè)沈家營(yíng)～向陽(yáng)山區(qū)間年徑流系列Y( j) ，j =1、2、3……35，經(jīng)計(jì)算得該區(qū)間的多年平均年徑流量為221.63 ×106m3，變差系數(shù)Cv =0.38。根據(jù)變差系數(shù)0.38 和偏態(tài)系數(shù)Cs = 2Cv，查皮爾遜Ⅲ型理論曲線表得模比系數(shù)Kpy( i) 、Ps( i) ，i =1、2、3……10。

磨盤山水庫(kù)排序后年徑流系列X( j) ，經(jīng)驗(yàn)頻率P( j) ，見表2，j =1、2、3……35，多年平均年徑流量為570.57 ×106m3，變差系數(shù)Cv =0.27。根據(jù)變差系數(shù)0.27 和偏態(tài)系數(shù)Cs = 2Cv，查皮爾遜Ⅲ型理論曲線表得模比系數(shù)Kpx( i) 、Ps( i) ，i =1、2、3……10。

A =設(shè)計(jì)站均值( 221.63 ×106m3) /參證站均值(570.57 ×106m3) =0.388435。

具體的計(jì)算結(jié)果: 沈家營(yíng)～向陽(yáng)山區(qū)間年徑流系列Y( j) ，j =1、2、3……35。計(jì)算的均值為221.32×106m3，與已知的多年平均年徑流量221.63 ×106m3相比，小0.14%;計(jì)算的變差系數(shù)Cv =0.37，與已知的變差系數(shù)Cv =0.38 相比，小2.7%，這些誤差純屬于計(jì)算誤差，均在水文計(jì)算規(guī)范規(guī)定的允許誤差范圍之內(nèi)，完全符合設(shè)計(jì)要求，可以推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

在我省大多數(shù)地區(qū)修建水利水電工程，一般為多年調(diào)節(jié)性質(zhì)的蓄水工程。缺水地區(qū)的多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，概率法( 庫(kù)容相加法) 興利調(diào)節(jié)計(jì)算中，多年庫(kù)容部分往往較難推求，勉強(qiáng)推求的結(jié)果與實(shí)際情況出入較大，所以常采用長(zhǎng)系列法進(jìn)行興利調(diào)節(jié)計(jì)算，故在無資料地區(qū)也需要推求工程地點(diǎn)的設(shè)計(jì)年徑流系列。

在無資料地區(qū)推求水文系列( 主要是年徑流系列) ，目前常用的方法是均值修正法，此法的基本假定是變差系數(shù)Cv 值相等或接近。在水利水電工程設(shè)計(jì)的實(shí)際工作中參證站與設(shè)計(jì)站的變差系數(shù)Cv值往往差距較大，直接影響設(shè)計(jì)精度，故筆者緊密結(jié)合實(shí)際工作現(xiàn)狀探討了同時(shí)修正均值和變差系數(shù)Cv的簡(jiǎn)化算法。采用該法可以直接求得設(shè)計(jì)站的水文系列，不僅可以提高設(shè)計(jì)精度，還可以節(jié)省以往多次試算變差系數(shù)Cv 的工作量。

在無資料地區(qū)水文系列移用，目前我省常用的方法是均值修正法和均值、變差系數(shù)試算修正法。均值修正法雖然方法簡(jiǎn)單，但是當(dāng)遇到參證站與設(shè)計(jì)站變差系數(shù)差距較大時(shí)，滿足不了設(shè)計(jì)精度要求;而均值、變差系數(shù)試算修正法可以滿足規(guī)定的設(shè)計(jì)精度，但是試算工作量較大，并且缺乏經(jīng)驗(yàn)者不易掌握。

使用Excel 做表格處理，不僅方便快捷、效率高，而且還可使報(bào)表圖文并茂，直觀大方。因此，無資料地區(qū)水文系列移用簡(jiǎn)化算法，可以采用目前常用的Excel 電子表格處理軟件，直接計(jì)算，非常方便，大大提高工作效率和工作質(zhì)量。該簡(jiǎn)化算法已經(jīng)編制了Excel 的計(jì)算程序，計(jì)算用戶只需輸入?yún)⒆C站水文系列和設(shè)計(jì)站統(tǒng)計(jì)參數(shù)即可，工作效率更高，缺乏經(jīng)驗(yàn)者也很容易掌握，便于推廣應(yīng)用。

［1］黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. 哈爾濱市磨盤山水庫(kù)供水工程可行性研究報(bào)告［R］. 哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2002.