不連續序列的水庫設計洪水計算分析

張藝

不連續序列的水庫設計洪水計算分析

張藝

（新疆昌吉水文勘測局，新疆昌吉831100）

通過分析軍塘湖河紅山水庫時段平均流量資料，對比采用頻率分析計算法、洪峰洪量模數法和調蓄經驗單位線法三種方法計算設計洪水的時段洪量和洪峰流量，選出最優方法，并對設計洪水計算成果的合理性進行了分析，可為類似研究提供借鑒。

水庫；設計洪水；頻率分析；洪水過程線

1 軍塘湖河水文概況

軍塘湖河昔日稱雀爾溝河，又稱圖古里克河，位于天山西段新疆呼圖壁縣境內，發源于天山北坡呼圖壁河流域中山帶[1]。上游水系在低山帶納札爾匯集，匯流隨后經流域西部前山丘陵進入平原區。流域面積1210 km2，其中紅山水庫以上面積為860 km2。

軍塘湖河于1956年10月曾設立軍塘湖水文站，1958年1月撤銷。從源頭至紅山水庫段，河長47 km，東西溝兩大支流匯合口以上河道縱坡降為61.5‰，匯合口以下至紅山水庫河道縱坡降為51.6‰，流域平均高程1503 m。紅山水庫承擔調節下游灌區用水任務，多年平均徑流量0.389億m3。軍塘湖河流域屬干旱區，河流水文特征明顯，河流出山口以上為徑流形成區，河流出山口以下為徑流散失區。流域土質類型主要有棕鈣土、山地栗鈣土、灰鈣土和灌溉棕鈣土等，植被類型以琵琶柴、苔草狐茅、梭梭、鐵桿蒿等為主。

表1 流域附近氣象站氣象特征統計表

2 設計洪峰流量及時段洪量

2.1 頻率分析計算法

軍塘湖河1978年～2002年25年洪水資料中，缺失1979年洪水資料，為計算精度得以保證，最后采用1980年～2002年23年實測資料系列進行計算。軍塘湖河1988年142 m3/s，2001年調查的洪峰流量為719 m3/s，1988年和2001年時段平均最大流量分別為46.2 m3/s和558 m3/s。

當系列加入特大值，不連序系列頻率計算時，特大值的經驗頻率按式（1）計算。剔除特大值后的連序系列按式（2）計算經驗頻率[2]：

式中：M為特大值排序；L為連序系列中特大值個數；N為特大值重現期；a為特大值個數。

對于不連序系列，各階樣本矩及統計參數的計算公式為[3]：

式中：xˉ為系列均值，單位m3/s、104m3；N為調查考證期；n為實測洪水系列年數；l為實測洪水系列中抽出作特大洪水處理的洪水個數；xi為實測洪水的第i位洪水；xj為實測洪水的第j位洪水；CS為洪水系列偏差系數；Cv為洪水系列偏態系數[4]。

造成計算設計洪峰流量成果偏小的原因是紅山水庫時段平均流量資料利用時段最大平均流量代替瞬時洪峰流量[5]。為消除用時段平均最大流量計算設計洪峰流量可能帶來的成果偏小問題，將2001年調查洪水的洪峰流量和時段平均洪量作特大值處理，并將1988年和2001年兩次調查的洪峰流量加入頻率分析計算，其重現期為47年。軍塘湖河洪峰流量及時段洪量系列統計參數計算結果見表2，設計洪峰流量及時段洪量計算成果見表3。

2.2 調蓄經驗單位線法

原軍塘湖河水文站僅1956年10月建站至1958年1月撤站期間一年多的實測洪水資料。，紅山水庫管理站無降水資料，在這種情況下筆者依據軍塘湖河所處地理位置及氣候條件與呼圖壁河、塔西河比較相似，利用調蓄經驗單位線法借用呼圖壁河石門站及塔西河石門子站實測最大一日降水量資料系列，進行最大一日降水量頻率計算，推求不同設計頻率最大一日降水量。

2.3 洪峰、洪量模數法

借用鄰近呼圖壁河流域石門站的洪水資料，通過頻率計算，分別得到不同設計頻率的洪峰、洪量模數，然后用軍塘湖河紅山水庫集水面積乘石門站洪峰、洪量模數，計算得軍塘湖河紅山水庫設計洪峰及時段洪量，成果見表5。

3 設計洪水成果分析

根據以上分析計算，軍塘湖河由三種方法計算的設計洪水成果出入較大，現對幾種方法進行綜合分析比較如下：

利用呼圖壁河石門站和塔西河石門子站實測最大一日降水量資料，以經驗單位線法推算所得軍塘湖河設計成果，由于與軍塘湖流域降水特性不同，所以最后計算成果偏?。挥煤魣D壁河石門站資料，采用洪峰、洪量模數法計算成果，成果精度較高，但與該河現有洪水實際情況相比，相差甚遠；對紅山水庫時段平均流量資料進行頻率計算，計算成果出現較大偏差，分析時由于平均流量觀測時段的長短不同，沒有將時段最大平均流量還原為瞬時洪峰流量造成的，計算方法上雖然加入2001年洪水，但由于洪峰流量系列資料精度較低，所以不適合評價設計洪峰流量成果精度。

3.1 設計洪水過程線

采用按洪峰流量及時段洪量同頻率放大法放大設計洪水過程線，計算軍塘湖河設計洪水過程線，洪峰流量過程線歷時120 h。軍塘湖河洪水資料系列較短的實際情況，在確定典型洪水過程線時，優先考慮峰高量大、稀遇程度較高的大洪水過程；為使所選擇的典型洪水過程線具有一定的代表性，兼顧考慮了軍塘湖河的洪峰流量特性，典型洪水過程線均挑選于水文站實測洪水過程。

表2 軍塘湖河設計洪水系列統計參數成果表

表3 頻率分析計算法設計洪峰流量和時段洪量計算成果表

表4 調蓄經驗單位線法設計洪峰流量和時段洪量計算成果表

表5 洪峰、洪量模數法設計洪峰流量及時段洪量計算成果表

圖1 軍塘湖河設計洪水過程線

3.2 設計洪水計算成果合理性分析

圖2 軍塘湖河設計時段平均流量與歷時關系

圖3 不同時段洪量系列Cs與歷時關系

圖4 不同時段洪量系列Cv與歷時關系

軍塘湖河紅山水庫設計洪峰流量及時段洪量計算，由于軍塘湖河計算斷面資料條件有限，在分析計算中，采用多種不同方法計算以減少資料系列方面的不足。從軍塘湖河設計時段平均流量與歷時的關系圖中可見看出，不同頻率下各曲線位置無突出偏離，曲線之間互不交叉，平均流量隨著歷時的不斷增加逐漸減小，Cv、Cs統計參數值隨著歷時的增加遞減，符合軍塘湖河洪水及產、匯流特性，也是是河流洪峰流量特性的體現[6]。

4 結論

通過分析20多年的紅山水庫平均流量資料得出，日平均流量數據的可靠程度較好，數據可以分析計算不同時段洪量。但是由于現有的紅山水庫洪峰流量是由觀測時段出庫流量和庫水位變化反推求得，誤差較大。文章分別采用頻率分析計算法、調蓄經驗單位線法和洪峰、洪量模數法三種不同方法，推求和估算軍塘湖河設計洪峰流量，發現頻率分析計算法計算成果最為接近實際情況。軍塘湖河設計時段平均流量與歷時的關系曲線位置無突出偏離，曲線之間且互不交叉，平均流量隨著歷時的不斷增加逐漸減小，Cv、Cs統計參數值隨著歷時的增加遞減，符合軍塘湖河洪水及產、匯流特性。

[1]韓露,岳春芳,張勝江,等.基于總量控制的軍塘湖流域農業水資源配置[J].節水灌溉,2015(10):71-73.

[2]龐瓊,陳鳴,王士軍,等.基于回歸分析的龍門灘水庫設計洪水計算[J].人民黃河,2013(12):37-40.

[3]張明芳,邢波.大中型水庫設計洪水計算方法探討[J].山東水利, 2011(3):29-30.

[4]韓煥慶,劉巍,于蓉.基于流域分割的泰安市勝利水庫設計洪水計算[J].人民長江,2012(S1):147-149.

[5]陳建江,耿峻嶺,邱建華,等.新疆頭屯河水庫入庫設計洪水的確定[J].水資源與水工程學報,2008,19(6):129-132.

[6]石春梅,徐婷,許立軍,等.山區攔河水庫洪水計算研究[J].內蒙古水利,2016(3):5-6.

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2016-11-24

張藝（1980-），女，新疆昌吉人，工程師，主要從事水質分析、水文勘測工作。