嘉陵江鳳州水文站洪水分析計(jì)算

高 娜，范麗華

（1.寶雞水文水資源勘測(cè)中心,陜西 寶雞 721000；2.榆林水文水資源勘測(cè)中心,陜西 榆林 719000）

0 前言

嘉陵江源于陜西省寶雞市鳳縣,是長江流域上游的一條重要支流,陜西境內(nèi)流經(jīng)鳳縣東河橋,黃牛鋪鎮(zhèn)、鳳州鎮(zhèn),于鳳縣雙石鋪西南8 km處入甘肅兩當(dāng)、徽縣,又從漢中市略陽縣白水鎮(zhèn)復(fù)入陜境,繼而蜿蜒南流,經(jīng)橫現(xiàn)河、洛陽城西、寧強(qiáng)縣流入四川廣元,于重慶朝陽門注入長江。干流全長1120 km,流域面積16萬km2,平均比降2.5‰。其中寶雞市干流長102 km,流域面積2472.4 km2。

嘉陵江徑流年內(nèi)分布不均,因此洪水災(zāi)害時(shí)有發(fā)生,暴雨是嘉陵江洪水形成的主要因素。

根據(jù)暴雨區(qū)位置分布不同,該流域主要有三種洪水類型。一是全流域發(fā)生較大強(qiáng)降雨所形成的峰量和洪量都較大的洪水；二是上游強(qiáng)降雨造成的持續(xù)時(shí)間長,洪水峰量一般,但洪水總量大的洪水；三是中游強(qiáng)降雨形成的持續(xù)時(shí)間短,洪峰大,局部性強(qiáng)的洪水。根據(jù)多年資料表明,上游秦嶺一帶多出現(xiàn)短歷時(shí)暴雨,強(qiáng)度大,易造成洪水災(zāi)害[1]。

嘉陵江洪水主要集中在汛期（5月～10月）,一般洪水主要發(fā)生在5月～10月,特大洪水主要發(fā)生在7月～9月。洪水特性歷時(shí)短、洪峰高,歷時(shí)一般2天～3天,由秋季連陰雨形成的洪水,峰型矮胖,歷時(shí)較長。鳳州水文站為嘉陵江上游重要控制站,通過對(duì)該站實(shí)測(cè)洪水資料系列進(jìn)行三性審查分析,并進(jìn)行頻率計(jì)算,得出不同頻率下的洪峰流量[2]。

1 鳳州水文站基本情況

鳳州水文站于1984年建站,地處陜西省鳳縣龍口鎮(zhèn),位于東經(jīng)106°38',北緯33°58',測(cè)站控制流域面積688 km2。該站為嘉陵江上游中等面積區(qū)域代表站,其上游主要支流有場房溝、黃牛溝、三岔河、紅花溝。流域內(nèi)設(shè)立有黃牛鋪、紅花鋪、河口、小五嶺、唐藏、鳳縣、南星等雨量站。測(cè)驗(yàn)河段為沙礫石河床,河段順直,下游2 km處有安河匯入,測(cè)站控制良好,洪水主要來源于嘉陵江上游及區(qū)間,水位流量關(guān)系呈繩套型,一般沙峰遲于水峰。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、泥沙、降水量、蒸發(fā)量。水系站網(wǎng)分布見圖1。

圖1 嘉陵江鳳州水文站站網(wǎng)分布圖

2 歷史洪水調(diào)查

根據(jù)鳳縣志記載,鳳縣自1900年以來共發(fā)生過3次特大洪水,分別為1933年、1981年、1990年[3]。對(duì)于1981年洪水,根據(jù)鳳縣水利志,鳳州水文站資料及陜西省洪水調(diào)查成果,綜合分析確定洪峰流量為1640 m3/s,重現(xiàn)期為500年一遇[1]。

3 水文資料 “三性”分析

3.1 可靠性分析

鳳州水文站屬國家基本水文站,測(cè)驗(yàn)河段比較順直,矩形河槽,高水控制良好,洪水時(shí)斷面沖淤變化大,上下游附近無支流匯入。本次洪水分析所用水文樣本資料為該站1984年～2022年水文年鑒整編資料成果,該成果經(jīng)過整編刊印,水文資料準(zhǔn)確連續(xù),滿足分析可靠性要求。

3.2 一致性分析

通過調(diào)查,嘉陵江風(fēng)州水文站自建站以來,上下游流域無修建水庫、河道整治、灌溉引水等大中小型水利工程和水土保持措施,人類活動(dòng)影響較小,樣本資料系列的一致性較好,因此,對(duì)洪水資料無需進(jìn)行修正和還原計(jì)算。

繪制鳳州水文站年最大洪峰流量累積曲線,見圖2。由圖2可看出,該站年最大洪峰流量隨時(shí)間變化沒有明顯的增加或減少趨勢(shì),累計(jì)曲線點(diǎn)群分布規(guī)律,斜率基本一致,因此整個(gè)年最大洪峰流量系列具有較好的一致性。

3.3 代表性分析

3.3.1 系列豐、平、枯變化分析

對(duì)鳳州水文站年最大洪峰流量系列利用洪峰流量過程線及洪峰流量模比系數(shù)差積曲線進(jìn)行豐枯變化分析。

（1）洪峰流量過程線分析

繪制歷年最大洪峰流量歷時(shí)曲線,見圖3。由圖3可以看出,在39年實(shí)測(cè)洪水資料中,包含了大、中、小各種洪水,其中較大洪水主要發(fā)生在1990年和2020年,洪峰流量分別為972 m3/s和558 m3/s,一般性洪水有1993年、2000年、2003年、2022年,枯水年有1994年、1995年、2002年。洪水分析所用資料系列中大洪水、一般洪水、小洪水相間出現(xiàn),資料系列連續(xù),代表性好,能滿足洪水頻率計(jì)算要求[2]。

圖3 鳳州水文站年最大洪峰流量圖

（2）差積曲線分析

點(diǎn)繪歷年最大洪峰流量差積曲線,見圖4。由圖4可以看出,洪峰流量差積曲線從1984年～2022年大致可以分為3個(gè)階段,即1984年～1990年間,差積曲線為上升期,表示該期間洪峰流量偏離均值向上,也就是豐水段；1993年～2002年,差積曲線為下降,表示該期間洪峰流量偏離均值向下,也就是枯水段；2003年～2022年,差積曲線為上下交錯(cuò)期,表示該時(shí)期洪峰流量豐、平、枯交替出現(xiàn)。

圖4 鳳州水文站年最大洪峰流量差積曲線

通過上述分析,嘉陵江鳳州水文站39年實(shí)測(cè)洪水資料系列中包含了豐、平、枯且交錯(cuò)出現(xiàn),總體樣本能較好地反映出嘉陵江上游段的洪峰流量的總體分布規(guī)律,資料系列代表性良好,滿足洪水分析計(jì)算要求。

3.3.2 統(tǒng)計(jì)參數(shù)穩(wěn)定性分析

（1）累積均值分析

對(duì)鳳州水文站洪峰流量分別進(jìn)行順時(shí)序、逆時(shí)序累積均值計(jì)算,并點(diǎn)繪洪峰流量累積均值隨年份的變化曲線,見圖5。從圖5中可以看出,隨著年份的增加,洪峰流量順時(shí)序、逆時(shí)序累積均值均逐漸趨于穩(wěn)定,并不斷向均值靠近。

圖5 鳳州水文站年最大洪峰流量累積均值與歷時(shí)關(guān)系圖

（2）累積CV值分析

對(duì)鳳州水文站洪峰資料系列進(jìn)行順、逆時(shí)序CV值累積計(jì)算,點(diǎn)繪CV值隨年份變化的過程線圖,見圖6。由圖6可以看出,無論是正時(shí)序還是逆時(shí)序,累積CV值隨著資料系列的增加均趨于穩(wěn)定。

圖6 鳳州水文站年最大洪峰流量累積CV 值與歷時(shí)關(guān)系圖

經(jīng)綜合分析得出,隨著洪水系列的增加,系列順、逆時(shí)序洪峰流量累積均值和變差系數(shù)CV值均趨于穩(wěn)定,因此,作為洪水頻率分析計(jì)算所選取的資料系列代表性良好。

4 鳳州水文站不同頻率洪峰流量計(jì)算

將鳳州水文站1984年～2022年共39年實(shí)測(cè)洪水和歷史洪水（1981年）組成的不連序洪水系列,選擇獨(dú)立樣本法進(jìn)行頻率計(jì)算,在計(jì)算時(shí)將1981年調(diào)查洪水作為特大值進(jìn)行處理,重現(xiàn)期500年一遇,用矩法初估統(tǒng)計(jì)參數(shù)值,采用皮爾遜Ⅲ曲線適線調(diào)整初估參數(shù),統(tǒng)計(jì)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見表1,頻率曲線見圖7。

圖7 鳳州水文站洪峰流量頻率曲線圖

對(duì)于實(shí)測(cè)系列構(gòu)成的樣本,n個(gè)觀測(cè)值是連序的,故經(jīng)驗(yàn)頻率為：

對(duì)于調(diào)查考證期N年內(nèi)的特大值系列,特大洪水經(jīng)驗(yàn)頻率為：

表1 鳳州水文站設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果表 單位：m3/s

5 結(jié)語

鳳州站作為嘉陵江寶雞段唯一控制站,收集嘉陵江各項(xiàng)水文特征,為防汛抗旱部門及下游地區(qū)提供實(shí)時(shí)水文情報(bào)預(yù)報(bào),為防災(zāi)減災(zāi)提供了依據(jù)。自1984年建站以來,鳳州水文站實(shí)測(cè)洪水資料系列連續(xù),真實(shí)可靠,系列一致性、代表性較好,洪水系列不僅包含了豐、平、枯變化且隨著年際增加均值、CV值均趨于穩(wěn)定,洪峰流量總體樣本能夠反映出嘉陵江上游段洪峰的總體分布規(guī)律。

經(jīng)過上述分析計(jì)算,確定鳳州水文站100年一遇洪水（P=1%）,Q洪峰=1160 m3/s；50年一遇洪水（P=2%）,Q洪峰=980 m3/s；30年一遇洪水（P=3.33%）,Q洪峰=860 m3/s；20年一遇洪水（P=5%）,Q洪峰=750 m3/s；10年一遇洪水（P=10%）,Q洪峰= 580 m3/s,5年一遇洪水（P=20%）,Q洪峰=410 m3/s。