西藏?zé)o資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法研究與應(yīng)用

富 強(qiáng)，朱 聰，劉金華，沈小勤，曹長(zhǎng)相

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州310014)

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西藏?zé)o資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法研究與應(yīng)用

富 強(qiáng)，朱 聰，劉金華，沈小勤，曹長(zhǎng)相

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州310014)

西藏自治區(qū)是我國(guó)面積最大的省區(qū)之一，也是我國(guó)河流、湖泊、冰川分布最廣的區(qū)域。由于地域遼闊，加上地勢(shì)、緯度的影響，西藏地區(qū)水文氣象要素差異性很大。西藏大部分地區(qū)水文站網(wǎng)密度偏低，水文資料較匱乏，有些地區(qū)基本空白，屬無資料地區(qū)，給工程水文設(shè)計(jì)帶來很大的困難，包括設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。為此，以藏東南察隅縣吉太曲流域?yàn)槔芯刻接憻o資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算方法。

無資料地區(qū)；設(shè)計(jì)洪水計(jì)算；西藏地區(qū)；吉太曲

1 流域概況

吉太曲(伊洛瓦底江上源，也稱“克勞龍河”)屬印度洋水系河流，位于西藏東南角察隅縣境內(nèi)，流域出口與云南省交界。河流發(fā)源于西藏伯舒拉嶺南部山峰然莫日附近，源頭部分稱嘎達(dá)曲，匯入日東曲后稱“克勞龍河”，進(jìn)入云南境內(nèi)匯入麻必洛河后始稱“獨(dú)龍江”。吉太曲主要是指克勞龍河西藏境內(nèi)部分，流域面積為2 345 km2，河源高程為5 521 m，主河道長(zhǎng)約96 km。吉太曲流域以及干流獨(dú)龍江流域無水文站和氣象站，流域內(nèi)未曾開展過水

文測(cè)驗(yàn)，無實(shí)測(cè)水文、氣象資料，屬典型的西藏地區(qū)無資料流域(見圖1)。吉太曲流域壩址設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分別采用了水文圖集查算(地區(qū)經(jīng)驗(yàn)總結(jié))、水文比擬法(流量資料推求設(shè)計(jì)洪水)、SCS水文模型(暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水)等方法。以兩個(gè)梯

級(jí)壩址(壩址以上集水面積分別為545、2 168 km2)為例進(jìn)行分析計(jì)算。

2 計(jì)算方法

2.1 水文比擬法

選取西藏境內(nèi)觀測(cè)年限較長(zhǎng)、測(cè)驗(yàn)情況較好、集水面積相對(duì)較小、距離吉太曲相對(duì)較近的更張水文站作為設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算的水文參證站。根據(jù)更張水文站各頻率設(shè)計(jì)洪水，按面積比的n次方推求梯級(jí)壩址設(shè)計(jì)洪水。

本次收集有西藏及云南境內(nèi)共計(jì)15個(gè)水文站的洪水成果。根據(jù)所有水文站地區(qū)綜合分析，洪峰均值面積比指數(shù)為0.67；根據(jù)西藏境內(nèi)鄰近水文站地區(qū)綜合分析，洪峰均值面積比指數(shù)為0.57。考慮區(qū)域洪水參數(shù)變化特性，綜合分析本次洪峰均值面積比指數(shù)取0.57(見圖2)。

圖1 吉太曲流域水系示意

圖2 洪峰均值地區(qū)綜合分析

2.2 水文圖集查算

根據(jù)地區(qū)水文圖集，統(tǒng)計(jì)林芝地區(qū)各水文站的洪峰模數(shù)，繪制洪峰模數(shù)的地區(qū)綜合線見圖3。由圖3可見，林芝地區(qū)洪峰模數(shù)面積比指數(shù)為-0.348。

圖3 林芝地區(qū)洪峰模數(shù)-面積關(guān)系

分別采用墨脫站和察隅站洪峰模數(shù)，按照面積比的n次方計(jì)算梯級(jí)壩址洪峰模數(shù)，計(jì)算洪峰均值。梯級(jí)壩址的洪峰均值計(jì)算成果見表1。與水文比擬法計(jì)算成果相比，查圖法計(jì)算的梯級(jí)壩址洪峰均值小于水文比擬法計(jì)算成果。

表1 吉太曲流域梯級(jí)壩址洪峰均值對(duì)比成果

壩址流域面積/km2水文比擬法查水文圖集洪峰模數(shù)墨脫站察隅站洪峰均值/m3·s-1洪峰均值/m3·s-1相差/%洪峰均值/m3·s-1相差/%A545340271-203146-572B2168747667-107358-521

2.3 SCS水文模型

美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持局(Soil Conservation Service)研制的SCS模型，已在流域工程規(guī)劃、水土保持及防洪、城市水文、土地房屋的洪水保險(xiǎn)及無資料流域等諸多方面得到應(yīng)用。SCS模型的優(yōu)點(diǎn)是模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)少，且易應(yīng)用于無資料地區(qū)。

西藏地區(qū)沒有暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)，采用鄰近《云南省暴雨洪水查算實(shí)用手冊(cè)》。根據(jù)SCS產(chǎn)流模塊推求一場(chǎng)降水的凈雨總量，按凈雨總量控制，結(jié)合《云南省暴雨洪水查算實(shí)用手冊(cè)》中凈雨計(jì)算參數(shù)，計(jì)算設(shè)計(jì)凈雨時(shí)程分配。采用SCS匯流模塊推求設(shè)計(jì)洪峰。

(1)設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算。設(shè)計(jì)暴雨根據(jù)水文圖集查算，分別采用了中國(guó)暴雨圖集、西藏地區(qū)水文圖集和云南省暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集等值線外延計(jì)算。另外還采用了衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)TRMM統(tǒng)計(jì)方法，以3 h時(shí)段降水滑動(dòng)計(jì)算年最大24 h時(shí)段雨量，進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)分析比較，最終選取中國(guó)暴雨圖集查算成果。

(2)產(chǎn)流計(jì)算。產(chǎn)流計(jì)算公式

(1)

式中，P為降水總量，mm；S為流域可能滯留量，mm；Q為徑流深(凈雨總量)，mm。S一般通過引入無因次參數(shù)CN確定，S=25400/CN-254。CN是反映降水前流域特征的綜合參數(shù)，與流域前期土壤濕潤(rùn)程度、土壤類型和土地覆蓋有關(guān)。時(shí)段暴雨采用《云南省暴雨洪水查算實(shí)用手冊(cè)》暴雨分區(qū)1的典型雨型和產(chǎn)流5區(qū)的初損水平，以SCS產(chǎn)流成果作總量控制均勻扣減。

表2 吉太曲流域梯級(jí)壩址設(shè)計(jì)洪水成果比較

壩址流域面積/km2方法不同頻率設(shè)計(jì)洪峰/m3·s-1P=02%P=05%P=1%P=2%P=333%P=5%P=10%P=20%A壩址545水文比擬法586552525497476458426390SCS模型920819743671609565484402B壩址2168水文比擬法129012101150109010501010936858SCS模型1430128011601050949881755627

(3)匯流計(jì)算。匯流計(jì)算采用一條統(tǒng)一的無因次單位線來計(jì)算徑流輸出過程，經(jīng)驗(yàn)公式

qp=0.208FQ/t

(2)

式中，qp為凈雨25.4mm的單位線洪峰流量，m3/s；tp為峰現(xiàn)時(shí)間，h；tp=2tc/3tc，tc為匯流時(shí)間，tc與洪峰滯時(shí)L關(guān)系為，tc=5L/3,L/l0.8(S+25.4)0.7/7069y0.5。其中，l為主河槽長(zhǎng)度，m；y為流域平均坡度；S同產(chǎn)流模塊，mm。經(jīng)計(jì)算，吉太曲流域梯級(jí)壩址設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果見表2。

3 成果比較分析

本文采用暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水時(shí)，沒有直接采用《云南省暴雨洪水查算實(shí)用手冊(cè)》中的計(jì)算方法，原因在于吉太曲流域與云南省西北部的降水特性、產(chǎn)匯流特性還是存在一定差異的，手冊(cè)中的參數(shù)和方法不一定合適，計(jì)算中發(fā)現(xiàn)大頻率洪水直接不產(chǎn)流。

三種方法計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比分析，水文圖集查算計(jì)算的洪峰均值小于水文比擬法成果；暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果在稀遇頻率(P=0.2%、0.5%、1%)下，成果大于水文比擬法，在常遇頻率情況下，成果與水文比擬法較接近。SCS模型稀遇頻率(P=0.2%、0.5%)計(jì)算成果是常遇頻率(P=20%)的兩倍多，與區(qū)域洪水參數(shù)特性有些差異。綜合分析，壩址設(shè)計(jì)洪水采用水文比擬法計(jì)算成果。

4 結(jié) 語

(1)目前，國(guó)內(nèi)用于無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的方法主要分：流量資料推求設(shè)計(jì)洪水(數(shù)理統(tǒng)計(jì)法)和雨量資料推求設(shè)計(jì)洪水(水文氣象法)，另外還可以采用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而成的水文圖集、手冊(cè)中介紹的一些方法和經(jīng)驗(yàn)公式。各種計(jì)算方法均有一定的適用條件和范圍，主要體現(xiàn)在流域面積、地區(qū)劃分、地形地貌、流域調(diào)蓄能力等多方面，采用時(shí)須根據(jù)流域情況與方法適用性的符合程度選取較優(yōu)方案。

(2)西藏地區(qū)設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算常會(huì)遇上共同的難題：流域內(nèi)流量實(shí)測(cè)資料和短歷時(shí)暴雨資料匱乏，缺乏地區(qū)水文手冊(cè)(暴雨洪水計(jì)算手冊(cè))，有些流域缺少比例合適的地形圖。這種情況下，常需要借助鄰近流域資料，以及地區(qū)水文圖集和鄰近省份的暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)，多方法分析計(jì)算。流域特征值提取方面，目前可采取其他途徑加以解決，如基于DEM和ArcGIS的流域劃分，還有基于ASTER GDEM和Google Earth的流域劃分等。

(3)雨量資料推求設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法較多：推理公式法、單位線法、SCS水文模型等等，本文主要介紹了國(guó)內(nèi)、外無資料地區(qū)洪水分析時(shí)較常見的SCS水文模型計(jì)算方法，SCS水文模型降雨徑流關(guān)系上考慮了流域下墊面因素，加上模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活方便。

(4)在無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法的研究上，對(duì)比中、英、美三國(guó)各國(guó)都有各自比較成熟的一套方法，英國(guó)常用區(qū)域綜合頻率曲線分析，美國(guó)目前應(yīng)用較為成熟的方法有區(qū)域回歸法、區(qū)域影響法，我國(guó)一般會(huì)考慮雨量資料推求設(shè)計(jì)洪水方法來解決。因而可以考慮借鑒其他國(guó)家的方法，豐富無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水問題的解決方案，擇優(yōu)選用。

[1]童楊斌. 無資料地區(qū)洪水計(jì)算與不確定性研究[D]. 杭州： 浙江大學(xué)， 2008．

[2]陳家琦， 張恭肅. 小流域暴雨洪水計(jì)算[M]. 北京： 水利電力出版社， 1985．

[3]王克平， 許清香， 馮民權(quán). 無資料地區(qū)小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法研究[J]. 電網(wǎng)與清潔能源， 2008， 24(1)： 56- 59．

[4]華家鵬. 小流域設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算方法[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)， 1998， 26(2)： 100- 104.

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(責(zé)任編輯 陳 萍)

Research and Application of Design Flood Analysis Methods in Tibet Ungauged Basins

FU Qiang, ZHU Cong, LIU Jinhua, SHEN Xiaoqin, CAO Changxiang

(PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 310014, Zhejiang, China)

Tibet is one of the largest provinces in China and also is the most widely distributed area with rivers, lakes and glaciers. Due to the large scale in width and terrain, Tibet has lots of differences on hydrological and meteorological elements in different area. As the hydrological station is rare and the network density is very low in most area of Tibet, the data of measured discharge is shortage (such area is often called ungauged basin), which is the biggest challenge when calculating the design flood. Taking Jitai River as an example, the design flood is calculated by using three methods and then the results are discussed．

ungauged basin; design flood analysis; Tibet; Jitai River

2015- 12- 12

富強(qiáng)(1985—)，男，浙江云和人，工程師，碩士，主要從事工程水文和水利規(guī)劃工作．

TV122

A

0559- 9342(2016)09- 0022- 03