伍遠(yuǎn)康，勞國民，劉?，帲沼栏?/p>

(浙江省水文局，浙江 杭州 310009)

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浙江省小流域設(shè)計洪峰流量的簡捷估算方法

伍遠(yuǎn)康，勞國民，劉?，?，陶永格

(浙江省水文局，浙江 杭州 310009)

為了實現(xiàn)山丘區(qū)小流域設(shè)計洪峰流量的快捷估算，按分布基本均勻和大區(qū)套小區(qū)的原則，分別在全省篩選了162個代表流域和大套小32組共72個流域，計算機提取流域(河流)特征，以暴雨分析設(shè)計洪水、面積指數(shù)，并繪制成8種設(shè)計頻率的洪峰模系數(shù)等值線圖，據(jù)此可以快捷查算全省任意指定斷面的設(shè)計洪峰流量值。

簡捷估算；設(shè)計洪峰流量；浙江省

1 問題的提出

設(shè)計洪峰流量是指水利水電工程規(guī)劃、設(shè)計，河流治理，公路、鐵路橋涵設(shè)計以及其它國民經(jīng)濟建設(shè)中指定的各種標(biāo)準(zhǔn)的洪峰流量，是設(shè)計洪水計算三要素之一。設(shè)計洪水的計算通常具有2種途徑，一是根據(jù)實測流量資料計算設(shè)計洪水，二是根據(jù)暴雨資料推求設(shè)計洪水，2種途徑各有優(yōu)缺點[1]，但不管是以流量資料還是以暴雨資料計算設(shè)計洪水，過程相對繁瑣。能否通過一定數(shù)量的代表流域指定頻率設(shè)計成果的分析、綜合，簡便、快捷地獲得任意指定位置的設(shè)計洪水，是本文所要討論的問題。

2 下墊面分區(qū)

為滿足設(shè)計洪水計算和成果綜合需要，達(dá)到相同分區(qū)內(nèi)與設(shè)計洪水有關(guān)的參數(shù)綜合的目的，以浙江省現(xiàn)有122個水文站實測歷年最大洪峰流量為因變量，將與洪峰流量具有明顯成因聯(lián)系的同場雨的不同時段最大雨強、流域面積、河床比降等作為自變量建立全省復(fù)相關(guān)關(guān)系，計算回歸洪峰流量、統(tǒng)計與實測洪峰流量的相對誤差，將其一一對應(yīng)地標(biāo)注在全省122個站點的分布圖上[2]。根據(jù)各站相對誤差偏大、偏小的情況，結(jié)合考慮全省主要水系一級支流的完整性、土壤改良利用分區(qū)[3]、植被分區(qū)和中國水文分區(qū)[4-5]，將全省劃分為A、B兩個區(qū)。其中，A區(qū)面積4.294萬km2，包括錢塘江中上游、甌江中上游、浦陽江、曹娥江地區(qū)，這一區(qū)域與浙江省的梅雨區(qū)基本吻合；B區(qū)面積6.086萬km2，包括天目山區(qū)、會稽山、四明山、天臺山、大盤山、括蒼山、南北雁蕩山等余下區(qū)域，呈“7”字形分布，這一區(qū)域與浙江省的臺風(fēng)雨區(qū)基本吻合[6](見圖1)。

圖1 浙江省洪水計算分區(qū)圖

3 代表流域選擇

在全流域面積在50 km2以上的省526條山地河流中，按照面上分布基本均勻的原則，選取162個代表流域，集水面積在49.3～1 912.0 km2，分布見圖2；根據(jù)大流域套小流域的要求，在A、B兩個區(qū)分別選取32組共72個流域(見表1)。采用國家1∶50 000基礎(chǔ)數(shù)據(jù)高程模型以及2007年以后的單一時相2.5 m分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)，利用計算機人機交互提取上述流域的流域面積、河長以及河流比降特征[7-8]。

圖2 全省山丘區(qū)162個代表流域分布圖

表1 A、B分區(qū)配套流域及特征統(tǒng)計表

4 設(shè)計洪水計算

針對現(xiàn)行設(shè)計洪水計算方法存在的模型參數(shù)分析所采用的分析站點少、資料系列短，匯流參數(shù)的下墊面分類任意性較大，流域面積50 km2上下需用不同計算方法以及下墊面分類、面積分級交界點的設(shè)計值不銜接等不足，作者綜合我國各省(市、區(qū))在設(shè)計洪水中采用方法、應(yīng)用經(jīng)驗，以瞬時單位線為設(shè)計洪水首選方法，并在建國以后全省設(shè)立的實驗站、小河站和區(qū)域代表站中篩選出97個水文站，流域面積在0.6～2 157.0 km2，共計1 465場實測暴雨洪水資料，對模型參數(shù)進(jìn)行計算機自動優(yōu)選、識別，結(jié)合流域特征進(jìn)行參數(shù)的單站、分區(qū)綜合，提出了浙江省分區(qū)設(shè)計洪水計算方法。由于使用了較原來多4倍的雨洪資料，提高了方法的代表性；以下墊面分區(qū)代替分類減少了設(shè)計成果的任意性；不需要區(qū)分設(shè)計流域面積的大小，擴大了方法適應(yīng)性，作為本文設(shè)計洪水計算選用方法。設(shè)計暴雨、日程、時程分配按照浙江省水文局編制的《浙江省短歷時暴雨》(2003年2月)成果和方法。

具體做法是直接查讀162個代表流域形心處的最大100 min、600 min、60 h、240 h、30 d等5個時段的均值、Cv，計算0.1%、0.2%、0.5%、1.0%、2.0%、5.0%、10.0%、20.0%等8種設(shè)計頻率雨量和時程分配，結(jié)合已經(jīng)獲得的流域面積、河長以及河流比降特征，按分區(qū)設(shè)計洪水計算方法分析得到162個代表流域相應(yīng)頻率設(shè)計洪峰流量。

5 設(shè)計成果的地區(qū)綜合

5.1 地區(qū)綜合方法

通常洪峰流量與流域面積的經(jīng)驗關(guān)系呈冪指數(shù)型，即：

QM=CpFn

(1)

式中：QM為設(shè)計洪峰流量，m3/s；F為設(shè)計流域集水面積，km2；n為面積指數(shù)，反應(yīng)冪函數(shù)線形狀，隨地區(qū)和洪水量級變化，其變化范圍在0.5～0.8；Cp為洪峰模系數(shù)[9]。

由式(1)得：

(2)

為此，可以繪制洪峰模系數(shù)等值線的方法進(jìn)行地區(qū)綜合，即按上述設(shè)計洪水計算方法分析162個代表流域的指定頻率洪峰流量，根據(jù)流域的設(shè)計洪峰流量、流域面積，A區(qū)、B區(qū)相應(yīng)頻率的面積指數(shù)，由(2)式得到162個流域相應(yīng)頻率的洪峰模系數(shù)Cp，分別置于162個流域的出口斷面處，繪制成指定頻率的洪峰模系數(shù)等值線圖。

5.2 面積指數(shù)分析

以A、B兩區(qū)選出的32組“大套小”共計72個流域，按照設(shè)計洪水計算方法分析指定頻率的洪峰流量，分別按A、B分區(qū)點繪～關(guān)系，分析的面積指數(shù)值見圖3、4，各頻率分析成果見表2?？梢?，A區(qū)面積指數(shù)要小于B區(qū)，A區(qū)面積指數(shù)在0.631～0.679，平均為0.662,平均相關(guān)系數(shù)為0.981；B區(qū)面積指數(shù)在0.698～0.768，平均為0.742，平均相關(guān)系數(shù)為0.978。2個分區(qū)面積指數(shù)均處于0.5～0.8的合理區(qū)間。

圖3 A區(qū)QN～F關(guān)系曲線圖(P=1.0%)

圖4 B區(qū)QN～F關(guān)系曲線圖(P=1.0%)

設(shè)計頻率A區(qū)B區(qū)anR2anR20.1%63.2930.6790.963154.4620.7680.96900.2%58.7050.6760.962350.9690.7640.96790.5%52.5390.6710.960646.4390.7580.96531.0%47.1030.6690.960442.9300.7510.96262.0%41.7220.6640.961239.0480.7440.95825.0%34.7950.6560.961033.5340.7310.951010.0%29.3640.6470.961229.0780.7180.944320.0%23.9560.6310.963924.1920.6980.93440.66210.962010.74210.95701

注：表中上標(biāo)1的數(shù)據(jù)為平均值。

5.3 設(shè)計洪峰模系數(shù)等值線

5.3.1 等值線分析

根據(jù)162個典型流域面積、8種頻率的設(shè)計洪峰流量和相應(yīng)頻率面積指數(shù)，按照洪峰模系數(shù)計算公式，求得162個流域的洪峰模系數(shù)Cp，在浙江省的數(shù)字地圖上，準(zhǔn)確標(biāo)注162個流域的控制斷面位置，并將洪峰模系數(shù)Cp置于對應(yīng)流域的出口斷面處，利用ArcGIS空間分析技術(shù)繪制成洪峰模系數(shù)等值線圖(見圖5)。

圖5 浙江省p=1.0%設(shè)計洪峰模系數(shù)等值線圖

5.3.2 查圖檢驗

為了檢驗各頻率設(shè)計洪峰流量模系數(shù)等值線成果的合理性，以100 a一遇洪峰模系數(shù)等值線為例，在相應(yīng)分區(qū)內(nèi)選用部分水文站直接法計算成果、已建水庫設(shè)計成果與查圖成果進(jìn)行比較(見圖6、7)。為了檢驗洪峰模系數(shù)圖在特小面積上的適用性，在寧波地區(qū)選擇了部分特小流域，進(jìn)行了直接與查圖方法設(shè)計成果的比較，具有較好的相關(guān)性(見表3)。由此可見，按此法得到的洪峰流量與工程選用設(shè)計成果有較好的一致性。

圖6 B區(qū)水文站不同方法成果比較圖(P=1.0%)

圖7 A區(qū)水庫不同方法成果比較圖(P=1.0%)

設(shè)計流域面積/km2計算洪峰流量/(m3/s)面積指數(shù)洪峰模系數(shù)查圖洪峰流量/(m3/s)陸埠55.501049.00.75151.41021.0梁輝35.06577.00.75139.9680.0雙溪口40.01498.00.75131.2575.0向家弄15.70331.00.75141.8396.0百丈崗16.64565.00.75168.4438.0寺前王12.72315.00.75146.6270.0穴湖2.5253.80.75126.990.1大池墩12.48181.00.75127.2220.0陶徐馮1.2943.00.75135.538.7相岙6.58158.00.75138.4132.0姚嶺5.30153.00.75143.7129.0車廄7.80224.00.75147.9187.0華山2.0563.60.75137.190.9

5.3.3 成果應(yīng)用

依據(jù)設(shè)計洪峰模系數(shù)等值線圖，可以直接查讀任意指定山丘區(qū)斷面8種設(shè)計頻率的洪峰模系數(shù)、所在分區(qū)的面積指數(shù)，結(jié)合設(shè)計流域的面積，按照式⑴即可簡便、快捷地獲得指定地點的設(shè)計洪峰流量值。所介紹的方法可作為簡捷估算浙江省山丘區(qū)設(shè)計洪峰流量和對相關(guān)設(shè)計成果進(jìn)行合理性評價使用。

6 結(jié) 語

本文介紹了浙江省任意小流域設(shè)計洪峰流量估算的簡捷方法，需要說明的是現(xiàn)有各種計算設(shè)計洪水的途徑，其估算成果都要受到資料條件、計算理論方法對各種環(huán)節(jié)所采用的概化、均化和簡化的限制和影響，加上在計算過程中免不了受到計算者的主觀和偏愛的影響，計算結(jié)果只能近似地代表其本來定義中應(yīng)當(dāng)具有的數(shù)值。浙江省處于中國東部季風(fēng)氣候控制范圍，暴雨洪水變幅較大，對其變化規(guī)律至今還不能描述清楚，在洪水估算中難度較大。應(yīng)此，在我國的長期實踐中，對設(shè)計洪水總結(jié)出“多種途徑、多種方法、綜合分析、合理選用”的做法[10]，其出發(fā)點是為彌補不同途徑和方法所使用資料的局限性，以及使用不同方法在不同環(huán)節(jié)上進(jìn)行概化帶來的缺陷，可以起到相互參照，相互驗證、相輔相成的作用，最后經(jīng)過綜合分析、判斷選定設(shè)計成果。因此，在本成果應(yīng)用過程中，上述長期實踐總結(jié)出的方法仍然是十分必要的。

[1]陳家琦,張恭肅.小流域暴雨洪水計算[M].北京:中國水利水電出版社，1985.

[2]郭生練.設(shè)計洪水研究進(jìn)展與評價[M].北京:中國水利水電出版社，2005.

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[10]王國安.可能最大暴雨和洪水計算原理和方法[M].鄭州:黃河水利出版社,1999.

(責(zé)任編輯 姚小槐)

A Simple Estimation Method for Design Flood Peak Flow of Small Watershed in Zhejiang Province

Wu Yuan-kang，Lao Guo-ming，Liu Fu-yao，Tao Yong-ge

(Zhejiang Provincial Hydrology Bureau, Hangzhou 310009, Zhejiang, China)

In order to achieve a faster estimation of small watershed design peak flow in hilly areas, according to the principle of the basic even distribution and groups of small region in big one, 72 basins were selected from 162 representative basins and 32 groups in Zhejiang Province. The watershed (river) features were extracted by computers, rainstorms were used to analyze design flood and area index. We drew contour maps of flood peak mode coefficient in 8 kinds of design frequency. According to the map, the design peak flow values of any specified section in Zhejiang province can be checked and calculated quickly.

faster estimation; design peak flow；Zhejiang Province

2015-10-11

浙江省公益性科研項目(2012C23041)；浙江省水利廳重大科技項目(RA1201)。

伍遠(yuǎn)康(1957-)，男，大學(xué)本科，教授級高級工程師，主要從事水文、水資源及水環(huán)境研究工作。

E-mail：wuyk130@263.net

P333

A

1008-701X(2016)01-0053-04

10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.01.017