超標洪水水位流量關系線擬定方法

張靜芳，翟俊峰，張煒，張濤

(1.呼和浩特水文勘測局，內蒙古 呼和浩特 010010;2.內蒙古水文總局，內蒙古 呼和浩特 010010)

1 基本情況

呼和浩特市轄區承擔報汛任務的國家基本水文站有美岱(大二)、三兩(三)、二道邊等10處水文站。在分析水文測站現狀測報能力和防洪需求的基礎上，結合擬定的超標洪水水位流量關系線，以水位或流量為主要衡量指標，劃分超標洪水的不同量級，確定具體的水位或流量節點，制定相應的測報方案，以使汛期水文測站超標洪水測報有序開展。

2 水位流量關系線擬定

2.1 多年綜合線法

2.1.1 資料的選用

近幾年屬平水年份，多數測站沒有發生超標洪水。因此，水位流量關系線繪制，中低水部分，采用2016—2020年實測流量成果表數據擬合，中高水部分，參照現斷面歷年大水年份實測流量成果表數據分析并繪制多年綜合線。除二道邊水文站資料系列為15 a外，其余測站資料系列至少20 a，滿足多年綜合關系線繪制要求。

2.1.2 資料的分析

經對現狀斷面2016—2020年和歷年大水年份實測流量成果表中汛期數據整理，繪制水位～流量關系圖、水位～面積關系圖、水位～平均流速關系圖、水位～最大流速關系圖、水位～平均水深關系圖、水位～最大水深關系圖、平均水深～平均流速關系圖，以便更好把控現狀斷面基礎上的中高水部分水位流量關系線的走向，特別是在現狀斷面水位～面積關系線固定的前提下，中高水的水位～平均流速關系需符合測站特性且相比歷年大水數據需控制在合理范圍內，以便提高中高水水位～流量關系多年綜合線的定線精度。

2.1.3 多年綜合線繪制

在對歷年實測流量成果表汛期數據分析的基礎上，結合現狀測站特性擬繪水位流量關系線，并把中高水歷年大水數據還原至現狀斷面，點繪在擬繪的關系線上，進一步分析擬繪關系線的合理性。特別是通過高水部分的流量面積比與歷年大水的平均流速相比較，趨勢需一致，以便使中高水部分的關系線符合測站特性，多年綜合線應用于超標洪水測報時，精度可靠。

2.2 曼寧公式法

2.2.1 資料的選用

曼寧公式法也稱比降面積法，按照《水工建筑物與堰槽測流規范》要求，在流速儀法等測流方法測驗有困難時，比降面積法作為特殊情況下的測驗方法時，可根據測站實測資料分析的糙率曲線查用糙率；如果較高水位以上無實測資料分析的糙率曲線時，可結合岸壁組成、植物生長情況、下游控制以及河段其他特性等選取糙率值，延長幅度不宜超過20%。

資料的選用是在多年綜合線法收集資料的基礎上，整理歷年實測流量成果表中的糙率和水面比降數據，進行整理分析。

2.2.2 糙率數據分析及關系線繪制

經對測站歷年實測流量成果表中的水面比降和糙率進行整理發現，近10年內的資料很少，多數為2000年以前的數據，甚至是二十世紀五六十年代數據。雖測站斷面現狀因斷面整治、河床沖淤變化、斷面地物等有一定的變化，但是對于超標洪水測報來說，采用曼寧公式法擬定水位流量關系線，還是有一定的參考價值。

經對測站平均水深與糙率關系曲線分析，多數點據不集中，但基于預案是以編制超標洪水為主，可采取對測站歷年實測流量大小從大到小排序，選取實測流量在5年一遇及以上超標洪水的糙率和水面比降均值作為現狀斷面的超標洪水的糙率和水面比降，采用曼寧公式來推理水位流量關系線，以便對多年綜合線法繪制的關系線進行合理性驗證。

經對測站現狀實測大斷面整理，生成分級水位面積關系表，結合歷年5年一遇及以上超標洪水糙率和水面比降均值，采用曼寧公式計算水位對應流量并繪制水位流量關系線。

2.3 實測年最大流量頻率分析法

選取測站建站至2020年年最大實測流量成果數據，采用PⅢ頻率分析軟件，計算出2年、5年、10年、20年、50年、100年一遇6種頻率相應流量。在曼寧公式法計算得出的水位流量關系線基礎上，通過同流量反查相應水位，形成不同頻率水位對應的流量，點繪水位流量關系線。

2.4 單參數地區綜合法

在同一水文分區內，影響洪水的主要因素是流域的集水面積。單參數地區綜合法為分析分區內測站多年平均洪峰流量及CV值與流域集水面積的關系。以洪水分區為單元，采集同一分區內根據實測流量資料和歷史調查洪水推算的單站洪水設計成果及本區已建工程的設計成果，建立各分區的多年平均洪峰流量均值QM和相應的變差系數CV值的地區經驗公式。繪制確定各區洪水經驗公式的參數C值和流域面積指數N。

經查《內蒙古自治區水文手冊》(以下簡稱《手冊》)附圖十八，紅山口、陳梨夭水文站屬V8分區，即大青山、蠻漢山石質山區；哈拉沁、清水河、店上村、卓資山、旗下營等水文站屬V9分區，即大青山、蠻漢山土石山區。按照設計洪水計算分區分類，呼和浩特市所轄紅山口(三)、陳梨夭(二)2處水文站屬V8分區；美岱(大二)、哈拉沁(二)、壩口子、店上村(三)、清水河5處水文站屬V9分區。

經查《手冊》中相關參數并計算得出不同頻率洪峰流量。采用曼寧公式，建立流量、糙率、比降、斷面面積、水力半徑的等式關系，反查現狀斷面的水位，建立水位流量關系線。

2.5 多參數地區綜合法

洪峰流量與暴雨特性及流域特征有關，如僅用單一面積的單參數地區綜合公式推求洪水，有時誤差較大。因此，可建立流域平均24H面雨量(H24)、主河道平均比降(J)及流域形狀系數(F)等參數與洪峰流量的相關關系，制定多參數地區經驗公式。

2.6 多年綜合線擬定

在以多年綜合線法繪制的水位流量關系線基礎上，進一步采用曼寧公式法、實測年最大流量頻率分析法、單參數地區綜合法、多參數地區綜合法擬合水位流量關系線，以進一步綜合研判并提高水位流量關系線的擬合精度。在現狀基本斷面水位面積分級表的基礎上，通過水位～流量/面積/平均流速三種關系線，進一步精細擬合多年綜合線，形成水位～流量/面積/平均流速三種關系線，以應用于測站超標洪水測報預案及汛期超標洪水的報汛。

2.7 合理性分析

在多年綜合線法、曼寧公式法、實測年最大流量頻率分析法、單參數地區綜合法和多參數地區綜合法擬定的水位～流量/面積/平均流速多年綜合線基礎上，選取與現狀斷面較接近的歷年有代表性的實測超標洪水場次，在擬合多年綜合線的基礎上點繪中高水部分的流量/面積/平均流速，點群比較集中；中高水部分同流量平均流速與測站歷年大水平均流速較為接近，關系線趨勢一致；不同頻率的洪峰流量與集水面積關系線擬合較好。因此，擬合的多年綜合線符合測站特性，較為合理。

3 存在問題及建議

3.1 存在問題

①在多參數地區綜合法計算中，《手冊》采用的是1956—2005年長系列水文資料，雖滿足規范要求的30 a及以上水文資料系列，具有較好的代表性，但歷年基本斷面以上水利工程及生態環境等因素與現狀存在一定的差異。②因暴雨多為局部發生，雨量點布設較稀，分布不均，自記雨量站資料更少，《手冊》中的H24小時等值線圖只能粗略地反映大范圍的暴雨分布趨勢，不能反映局部地形的影響，控制不住局部暴雨。因此，采用多參數地區綜合法計算，在H24降水均值數據選取時，基本斷面以上流域面積越小，精度相對較差。③三兩(三)和西二道河水文站地形屬平原區，擋陽橋水文站因受上游水利工程等因素影響，通過經驗公式計算所得流量與實際偏差較大。

3.2 建議

①曼寧公式法計算過程中，需有現狀斷面的糙率和水面比降數據，歷年實測流量成果糙率和水面比降數據多為2000年以前數據，甚至是二十世紀五六十年代數據，水位糙率關系點群不集中，在測驗過程中需進一步收集現狀斷面的糙率和水面比降數據，以提高水位流量關系線擬合精度，更加符合測站特性。②因斷面整治、沖淤變化、斷面地物以及基本斷面以上水利工程、生態環境等多種因素影響，擬合的多年綜合關系線還需在實際應用中進一步通過實測水位流量數據糾正。③《手冊》中單參數地區綜合法公式方法簡單，使用方便，但較難反映特殊流域上的各種特性及影響因素；如設計流域的流域形狀和河道比降接近于同一洪水分區代表站的特性時可采用單參數經驗公式計算。如設計流域內的坡度特別陡(或緩)，或流域形狀特殊時(形狀呈扇形時)，需考慮用多參數地區綜合公式法計算。