湖北省中小流域由實(shí)測暴雨推求設(shè)計(jì)洪水方法的探討

楊光勝 黃 攀 聶正權(quán)

（湖北省隨州市水文水資源勘測局，湖北隨州 441300）

0.引言

近年來，湖北省水利工程建設(shè)項(xiàng)目眾多，在前期規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，都會(huì)根據(jù)流域水文資料情況及有關(guān)條款規(guī)定，選取不同方法進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。

湖北省中小河流雖然于2011 年后相繼設(shè)立水文站，但絕大多數(shù)中小型建設(shè)項(xiàng)目所在河流流量資料歸檔時(shí)間較短，無法直接采用頻率分析法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，因此，先采用頻率分析法計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨，再由設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算設(shè)計(jì)洪水仍是主要途徑。即首先根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目所在流域或附近點(diǎn)暴雨資料推求面設(shè)計(jì)暴雨，再采用產(chǎn)匯流方案計(jì)算相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水。這種方法對無流量資料地區(qū)的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算起到較大的作用。但是，隨著基本雨量資料的累積和科技的進(jìn)步，其方法本身存在的一系列問題需進(jìn)行必要的探討。

1.設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水

1.1 設(shè)計(jì)暴雨與設(shè)計(jì)洪水同頻率問題

設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算應(yīng)包括指定標(biāo)準(zhǔn)的暴雨設(shè)計(jì)量和暴雨的時(shí)空分配，其主要內(nèi)容有設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量、設(shè)計(jì)面雨量、設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)程分配等。要想準(zhǔn)確計(jì)算某一點(diǎn)的指定標(biāo)準(zhǔn)的暴雨量是容易的，但要計(jì)算某一標(biāo)準(zhǔn)的暴雨的時(shí)空分布卻較困難。

現(xiàn)行計(jì)算方法是基于設(shè)計(jì)暴雨與設(shè)計(jì)洪水是同頻率的假定。洪水的形成不僅與暴雨的量級(jí)有關(guān)，還與暴雨的時(shí)空分布、前期影響雨量、下墊面條件等有關(guān)，某一設(shè)計(jì)頻率的洪水，可以由若干時(shí)空分布條件不同的暴雨所形成，現(xiàn)實(shí)中設(shè)計(jì)暴雨與設(shè)計(jì)洪水是不同頻率的。

1.2 設(shè)計(jì)面暴雨量的頻率計(jì)算問題

設(shè)計(jì)面暴雨量的頻率計(jì)算可分為直接計(jì)算法與間接計(jì)算法兩種。對于缺乏資料的地區(qū)，一般采用間接計(jì)算法，即利用設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨量通過點(diǎn)面關(guān)系轉(zhuǎn)換成設(shè)計(jì)面暴雨量。理論上暴雨點(diǎn)面折算關(guān)系應(yīng)為某點(diǎn)與具有固定流域邊界的面平均雨深的關(guān)系，即符合設(shè)計(jì)要求的“定點(diǎn)定面”關(guān)系。在現(xiàn)行計(jì)算中一般采用以點(diǎn)雨量頻率及動(dòng)點(diǎn)動(dòng)面關(guān)系間接計(jì)算，這樣存在著以下3 個(gè)問題：（1）點(diǎn)雨量頻率曲線的經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)，一般不是暴雨中心雨量；（2）由于點(diǎn)與面經(jīng)常處于暴雨的非中心部分，采用暴雨中心點(diǎn)面折算系數(shù)偏小；（3）現(xiàn)行方法計(jì)算的只是某種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)雨量的相應(yīng)同次面雨量，而不是同頻率設(shè)計(jì)面雨量，動(dòng)點(diǎn)動(dòng)面關(guān)系不能正確反映同頻率關(guān)系。

1.3 設(shè)計(jì)暴雨、產(chǎn)流和匯流參數(shù)合理性問題

目前，我省中小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算基本上都是采用湖北省水利勘測設(shè)計(jì)院1982 年編制的《暴雨徑流查算圖表》（以下簡稱《圖表》）中的瞬時(shí)單位線法和推理公式法，附有《湖北省暴雨參數(shù)等值線圖》和計(jì)算設(shè)計(jì)洪水所用的各種產(chǎn)匯流參數(shù)。即使新版的《湖北省暴雨參數(shù)等值線圖》（2008 年，湖北省水文水資源局）也是根據(jù)2000 年以前暴雨資料進(jìn)行的分析更新，至今已有20 多年，期間發(fā)生了多場創(chuàng)紀(jì)錄暴雨，如2012 年8 月鄂西北特大暴雨，最大24h 暴雨量創(chuàng)我省歷史記錄；2016 年7 月沙洋特大暴雨，幾個(gè)短歷時(shí)暴雨量超我省歷史記錄；2020 年7 月建始縣城關(guān)和2021 年8 月隨縣柳林鎮(zhèn)極端強(qiáng)降水均刷新了當(dāng)?shù)囟鄠€(gè)短歷時(shí)最大暴雨量歷史記錄等。這些局部發(fā)生新的暴雨特大值在一定程度上改寫了區(qū)域短歷時(shí)降雨量等值線圖。

同時(shí)，《圖表》中各產(chǎn)流、匯流參數(shù)是有限的站網(wǎng)在有限時(shí)間內(nèi)收集的資料基礎(chǔ)上進(jìn)行的綜合，新的暴雨記錄出現(xiàn)后沒有及時(shí)刷新等值線圖等，勢必導(dǎo)致設(shè)計(jì)暴雨與實(shí)際情況出現(xiàn)較大的誤差。

2.實(shí)測暴雨推求設(shè)計(jì)洪水方法

為避免雨洪同頻率的假定，針對我省中小河流水文資料的實(shí)際情況，探討由實(shí)測暴雨推求設(shè)計(jì)洪水的方法。即由歷年實(shí)測暴雨通過產(chǎn)匯流計(jì)算洪水，按照由流量資料推求洪水的方法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。

3.應(yīng)用分析

現(xiàn)以解家河水文站以上三里崗、尚家店、羅河、解家河4 個(gè)雨量站收集的長系列水文資料，按上述方法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，并與解家河水文站實(shí)測洪峰流量資料推求設(shè)計(jì)洪水值比較。

解家河水文站于1956 年5 月由湖北省水利廳設(shè)立，2008 年上遷4.5km 至均川鎮(zhèn)區(qū)，集水面積425km2，斷面以上河長62.2km，為均川河的控制站。均川河為府河右岸一級(jí)支流，流域面積433km2，河道坡度1.9‰，流域內(nèi)自1957 年相繼設(shè)有三里崗、尚家店、羅河雨量站。均川河流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，森林植被良好，雨量豐沛，年降水量約1000mm。暴雨一般集中在7 ～9 月，洪水由暴雨形成，以7 ～9 月發(fā)生的機(jī)會(huì)較多。均川屬山溪性河流，坡陡流急，洪水傳播迅速，一般一次洪峰歷時(shí)2 ～3 天，流量過程線呈陡漲落緩的偏態(tài)型，產(chǎn)流方式符合蓄滿產(chǎn)流，其蓄水容量曲線線型為拋物線。

根據(jù)區(qū)域雨洪資料及流域特征值資料分析，模型的產(chǎn)、匯流參數(shù)為：b=0.4；Wm=120mm；fc=4.5mm/6h ；n=2.7；k=4.0。解家河站以上流域面積較小，地下及基流占徑流總量的比重較小，本次分析不考慮。

根據(jù)以上參數(shù)及解家河以上雨量站歷年降雨資料進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，然后用納希瞬時(shí)單位線進(jìn)行地面匯流計(jì)算，以計(jì)算的歷年洪峰流量系列與1954 年調(diào)查洪水（經(jīng)論證，重現(xiàn)期為166 年）組成不連續(xù)系列計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率，然后采用皮爾遜II1 型曲線擬合如圖1 所示，設(shè)計(jì)洪水值Qp如表1 所示。

圖1 解家河站計(jì)算值頻率曲線

表1 解家河站各種方法推求設(shè)計(jì)洪水洪峰流量成果表

再將解家河站實(shí)測的1971—2007 年37 年最大洪峰流量樣本與1954 年調(diào)查洪水（經(jīng)論證，重現(xiàn)期為166年）組成不連續(xù)系列，皮爾遜II1 型曲線擬合如圖2 所示，設(shè)計(jì)洪水值Qp如表1 所示。

圖2 解家河站實(shí)測值頻率曲線

4.結(jié)語

（1）本計(jì)算方法能夠讓調(diào)查歷史洪水和近年發(fā)生的最新暴雨資料參加統(tǒng)計(jì)計(jì)算，并能對實(shí)測系列中的特大值進(jìn)行處理，起到延長實(shí)測資料系列，提高洪水系列代表性，減少頻率分析的抽樣誤差，從而提高頻率計(jì)算成果的穩(wěn)定性和合理性，在一定程度上能夠提高設(shè)計(jì)洪水精度。

（2）濕潤地區(qū)中的小河流，當(dāng)流域內(nèi)雨量站點(diǎn)分布均勻、產(chǎn)匯流參數(shù)具有代表性、可靠性時(shí)，使用本方法推求設(shè)計(jì)洪水能夠克服實(shí)際中雨洪不同頻問題。