老碼頭水文站設計洪水插補延長方法淺析

高力群，陳 菡

(湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢 430070)

設計洪水是確定河流治理開發方案和水利水電工程規模的重要基礎數據。當設計依據站實測洪水系列不足30年，應進行插補延長，并充分收集歷史洪水調查和考證資料，提高系列的代表性，然后再根據展延后的系列進行頻率分析計算，推求設計洪水[1]。

國內許多學者對設計洪水插補延長方法進行了大量分析。王心峰[2]通過實例研究，對幾種插補延長方法進行了對比分析，提出了具體建議和注意事項。張京思[3]根據水位流量關系曲線法插補延長參證站的設計洪水系列，并與短系列成果進行比較，為短系列洪水資料插補延長方法和水利工程設計提供參考和依據。

龍背灣水電站位于湖北省竹山縣堵河南支流官渡河中上游，為第一級電站。老碼頭水文站是官渡河干流的控制站，位于壩址上游1.5 km，控制壩址以上流域面積的86%。為了計算龍背灣壩址設計洪水，本文以老碼頭水文站為設計站，研究如何利用參證站插補展延洪峰、洪量系列，來計算老碼頭水文站的設計洪水。由于老碼頭水文站實測洪水系列只有23年，本次選擇與老碼頭水文站相鄰的官渡水文站、竹山水文站和新洲水文站為參證站，研究幾個水文站之間洪水(洪峰、洪量)的相關關系，插補延長老碼頭水文站洪水系列，以增加系列資料的連續性和代表性，進而提高設計洪水的可靠性。

1 流域概況

堵河流域位于湖北省鄂西北地區，系漢江上游南岸支流，發源于陜西省鎮坪縣大巴山北麓，流向東北，注入丹江口水庫。河流全長354 km，平均坡降4.64‰，流域面積12 502 km2。堵河上游分兩支，西支稱泗河，屬干流，南支稱官渡河，匯合于竹山縣的兩河口后稱堵河[4]。

官渡河流域面積2 961 km2，河長126.9 km，平均坡降4.73‰。發源于大神農架的臺子鄉，流經神農架林區的板倉，房縣的九道梁，竹山境內的洪坪、梁家、官渡、峪口，由田家壩鎮的兩河口匯入堵河，是堵河最大支流[5]。

官渡河流域屬亞熱帶季風氣候區，河谷地區氣候溫和，無霜期長，高山區則冬冷夏涼，降水增多，夏多雷暴，冬多降雪。

2 基本資料

老碼頭水文站位于官渡河中上游，距兩河口48.4 km；新洲水文站位于泗河流域，距兩河口24.1 km；竹山水文站在堵河干流上，位于官渡河和泗河匯合口以下約28 km。堵河流域水文站網見圖1。

1)老碼頭水文站。該站1987年1月由湖北省水文水資源局設站，集水面積1 854 km2。由于位于龍背灣水電站淹沒區，于2011年停測。本次收集到老碼頭站1988～2010年共23年洪水資料系列。

2)新洲水文站。該站位于竹溪縣的新洲鎮，設于1958年10月，集水面積4 660 km2，占泗河流域面積的96.1%。由于位于潘口水電站淹沒區，于2011年潘口水電站蓄水后停測。本次收集到新洲站1959～2010年共52年洪水資料系列。

圖1 堵河流域水文站網示意圖

3)竹山水文站。該站1958年由湖北省水利廳設立，集水面積9 074 km2。本次收集到竹山站1959～2010年共52年洪水資料系列。

4)官渡水文站。該站于1959年10月由湖北省水文水資源局設立，1963年8月停測，集水面積2 535 km2。官渡站只有1959～1963年共4年流量觀測資料。

3 歷史洪水及重現期

1)歷史洪水。老碼頭站設站較晚，沒有歷史洪水調查資料，在其下游官渡站有歷史洪水調查資料，可將官渡站歷史洪水按照面積比的2/3次方移置到老碼頭水文站。其成果見表1。

表1 老碼頭站歷史洪水成果表

2)重現期。根據本次歷史洪水的復核成果，發生歷史洪水的年份有1867年、1926年、1931年、1937年、1956年、1980年,共6年。1867年洪水為自1867年以來發生的最大洪水，但無法定量，故從調查的最遠年份1867年算起，到2010年止，則重現期為144年；1926年洪水為1867年以來第二大洪水，其重現期定為72年。

4 老碼頭站洪水系列的插補延長

老碼頭水文站洪水系列由實測系列和插補延長系列組成。插補延長老碼頭站洪水系列，選取官渡水文站、新洲水文站和竹山水文站為參證站，通過分析三站洪水與老碼頭水文站洪水的相關性，發現新洲水文站和竹山水文站由于集水面積相差較大，洪水相關性較差，不宜直接相關展延，進而采用新洲水文站和竹山水文站區間洪水，以洪量相關展延老碼頭洪量系列，再以老碼頭水文站峰、量相關展延洪峰系列。官渡水文站與老碼頭水文站處于同一河流，面積相差較小，直接用水文比擬法將實測洪峰移植至老碼頭水文站。

4.1 老碼頭水文站實測洪水系列分析

老碼頭站有1988～2010年23年實測洪水資料，按年最大值法選樣并進行統計，可得到老碼頭站年洪峰流量、最大24 h洪量和最大72 h洪量系列。

官渡站在老碼頭站下游，流域面積相差不大，流域內自然地理條件比較一致。利用官渡站1959～1962年實測洪水資料，將官渡站的洪峰流量按面積比的2/3次方，洪量按面積比的一次方移置到老碼頭站，得到老碼頭站1959年～1962年洪峰流量及最大W24 h、W72 h洪量。

利用老碼頭站1959～1962年、1988～2010年共27年洪水系列，建立其峰量關系，見圖2和圖3。從圖2和圖3可以看出，年峰量、峰峰相關點密集的分布在相關線兩邊，相關關系非常密切。

圖2 老碼頭站Q～W24 h(1959-1962,1988-2010)相關關系圖

圖3 老碼頭站W24 h～W72 h(1959-1962,1988-2010)相關關系圖

4.2 老碼頭水文站與竹山～新洲區間洪水相關分析

老碼頭水文站1963～1987年洪峰及洪量，采取竹山～新洲區間最大洪水同頻率地區組成法計算?？紤]兩種特定組合方案：其一是當上游新洲站發生設計頻率的洪水，下游竹山站也發生設計頻率的洪水，而區間為相應的洪水；其二是當下游竹山站發生設計頻率的洪水，區間也發生設計頻率的洪水，上游新洲站為相應的洪水。

竹山～新洲區間的實測年最大洪水過程采用兩種情況選定：其一是同場的年最大洪水，則采用同場的年最大洪水過程統計選樣；其二是不同場的年最大洪水，則以各場的不同年最大洪水進行統計分析，選取其區間最大的一場洪水過程作為年最大區間洪水過程，并以選定的竹山～新洲的年最大區間洪水過程所對應的兩站同場最大洪水過程的實測資料，由新洲站演進到竹山站，與竹山站的洪水過程相減得出其區間的洪水過程，并計算出區間的最大W24 h、W72 h洪量。

建立老碼頭站實測(含官渡站的移置成果)與竹山和新洲區間年最大W24 h、W72 h洪量相關線，見圖4及圖5。經分析計算，24 h洪量相關系數為0.98，72 h洪量相關系數為0.95，相關關系非常密切。

根據老碼頭與竹山～新洲區間年最大W24 h、W72 h洪量相關關系和新洲、竹山站1963～1987年實測洪水資料，可以插補出老碼頭站1963～1987年的W24 h、W72 h洪量。

圖4 老碼頭W24 h～(竹-新)W24 h(1959-1962,1988-2010)相關關系圖

4.3 老碼頭水文站洪水系列

老碼頭站洪量系列由官渡站移置的1959～1962年、竹山～新洲區間插補的1963～1987年和實測的1988～2010年系列組成。老碼頭站洪峰系列為1959～2010年，其中1959～1962年由官渡站移置，1963～1987年為老碼頭站峰、量關系計算，1988～2010年為實測系列。

根據插補展延的老碼頭站洪水系列，考慮歷史洪水，先用矩法初步估算統計參數，再按皮爾遜Ⅲ型曲線進行適線，得到老碼頭水文站設計洪水計算成果，見表2。

4.4 老碼頭水文站設計洪水合理性論證

官渡河流域設計洪峰流量的特點是洪峰模數略大，而變差系數Cv和偏態系數Cs與鄰近流域相比相對偏小。由表3反映出，本地區中等流域年最大流量的均值、最大值與最小值及其比值，比值大者Cv值相對較大，堵河與南河相比，堵河的變率遠比南河小，老碼頭和官渡站調查的最大洪水及重現期也比南河小，說明堵河在同一時期內，發生的洪水量級要比南河小，其Cv值比南河小是合理的。另外，堵河流域洪水主要是由鋒面暴雨形成的，臺風暴雨很難深入到堵河流域，而且堵河流域的植被從調查的情況來看也比南河好，所以調節性能也相對較好。堵河與夾河相比，變差系數Cv值小于夾河，這是由于夾河的滯洪作用調節能力差所致。堵河與沮河也有類似情況，所以Cv值偏小。綜合以上分析，老碼頭站設計洪水成果是合理的。

5 結 語

對于水文實測資料系列長度不足的設計洪水計算，利用水文站本身及上下游鄰近水文站相關等方法插補延長洪水樣本系列，是設計依據站洪水系列插補展延的有效途徑。相關分析中，參證站的選擇很關鍵，要求參證流域與設計流域鄰近，氣候條件基本一致，洪水形成條件相似，同期觀測資料不能太短，要防止輾轉相關造成的關系密切假象。設計洪水插補延長成果的研究，提出了在參證站資料系列不全的情況下通過區間峰量相關得展延設計展系列，對水文站設計洪水的相關展延提供了又一種研究思路，進而提高設計洪水的可靠性。

表3 流域內外各水文站洪水特征表