遼寧東部無資料小流域設計洪水過程形狀系數概化的計算方法研究

劉 佳

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110003)

對于有實測洪水數據的流域而言，一般主要結合實測洪水過程采用同頻率或同倍比的方法推算設計洪水過程[1- 6]，而對于小流域設計洪水而言，缺少實測的洪水數據，使得洪水過程推求較為困難。當前，小流域設計洪水主要采用經驗概化法處理，即從洪水資料中選出實測洪水即從洪水資料中選出實測洪水過程線，分析峰量關系、漲洪時間、峰現時間、洪水歷時，概化出洪水流量時程分配過程。遼寧東部山洪小流域眾多，山洪災害預防和小流域綜合治理都急需對設計洪水過程進行推求[7- 10]，這些區域大多數位于無資料區域，為此文章結合區域內實測洪水數據，綜合得到區域小流域設計洪水過程的形狀系數，成果對于遼寧東部無資料小流域設計洪水過程推求具有重要的參考價值。

1 研究方法及資料選取

1.1 研究方法

對于小流域設計洪水過程線設計，在同倍比放大法基礎上，對放大系數計算進行改動。主要不同之處是，同倍比放大法是用同一放大系數，放大典型洪水過程線的流量，使放大后的洪峰流量或控制時段洪量等于設計洪峰流量或設計洪量；而小流域是用設計洪峰流量Qmp、不同時刻(ti)流量與洪峰流量比例系數(Qti/Qm)推算對應時刻的設計流量，使設計后洪水過程線的洪峰流量、洪量與已計算的洪峰流量Qmp、洪量W3dp相等。在設計中引入了洪水形狀系數γ，估算出不同γ下對應的λi=Qti/Qm時間序列，ti一般取整點，單位時段長度△t是ti與ti+1間隔時間，為了準確反映洪水過程線變化，△t取定值。

具體步驟包括：

(1)實測洪水過程線選?。阂苑甯吡看蟆⒋硇院?、對工程不利的原則進行洪水過程線選取；考慮到地區下墊面組成、季節變化、天氣因素、洪水形成規律、洪水次數、峰量關系、洪水過程特征等。

(2)洪水過程線概化與綜合：在選取的洪水過程中，割去基流，以時間為序，用過程線上的ti時刻流量Qti除以該次洪水的洪峰流量Qm即Qti/Qm，概化出單次洪水過程線。取各單次洪峰、對應時段洪量均值，綜合出地區洪水過程線，確定漲洪歷時、洪水總歷時。

(3)推求主峰過程線形狀系數：分析單次洪水過程線，主要考慮洪水三要素，即洪峰流量Qm、洪水總量W，以及洪水歷時T，以此推求洪水過程線形狀系數γ。

(1)

式中，Qm—洪峰流量，m3/s；W—洪水總量，104m3；T—洪水歷時，h，東部T=72h。

圖1 遼寧東部各站洪水過程概化結果

(4)作主峰γ～t～Qti/Qm綜合關系圖：用算術平均法綜合各場次、單站γ以及Qti/Qm值，以ti為參數，以γ為縱坐標、Qti/Qm為橫坐標建立地區γ～ti～Qti/Qm關系圖，對于測站稀少地區，用各站典型洪水補充。

(5)編制主峰γ～ti～Qti/Qm專用表：為了方便使用，將各地區γ～ti～Qti/Qm綜合關系圖轉換成專用表。

1.2 資料的選取

選擇集水面積在300km2以下水文站(斷面遷移視為一個站)，從水文數據庫中提取2013年以前洪水數據。以洪峰流量為指標，每個水文站選取排序在前10個左右大洪水資料。洪水盡量選擇峰型規整的單峰型洪水過程線。此次在6個水文站中篩選了47場洪水。各區各站所選洪水個數詳見表1。

表1 洪水過程概化資料選取情況(300km2以下)

2 研究成果

2.1 東部地區洪水過程線概化

結合遼寧東部區域內6個水文站47場洪水數據，對各站點的洪水峰值比進行概化，洪水過程概化結果如圖1所示。

從遼寧東部各站洪水過程概化結果可以看出，遼寧東部各站點的洪水過程歷時較長，平均歷時均在200h左右。這主要是因為遼寧東部的蓄滿產流機制，使得區域洪水的退水過程較長。6個水文站點的洪水過程較為相似。其峰值比在1.0以下，其洪水過程從起漲開始，到出現洪峰基本在24h以內，特別是對于遼寧東部的小流域而言，雖然流域的產流機制為蓄滿產流機制，但是小流域洪水的特點就是陡漲陡落，洪峰出現的時間較短。從洪水的形狀可以看出，遼寧東部的洪水主要以單峰形式出現。

2.2 東部地區洪水過程線綜合

在各水文站洪水過程概化的基礎上，對各洪水場次進行綜合，綜合得到遼寧東部區域小流域的平均洪水過程以及不同峰值比的綜合過程，結果見表2，如圖2所示。

表2主要反映各站點的峰值比，從表中可以看出，遼寧東部峰值比在0.005～0.05之間，峰值比的變化幅度較小，綜合各站點的洪水過程可以得到東部平均值，東部小流域洪水過程的總歷時在52h～147h之間，通過對各小流域洪水特點分析，主要采用72h作為其平均值。從峰值比綜合結果可以看出，東部平均線為各峰值比的外包線，比較符合遼寧東部小流域設計洪水的特點。

表2 洪水綜合分析確定成果表

圖2 東部地區洪水過程及峰值比綜合結果

2.3 洪水過程線形狀系數γ以及γ～t～Qt/Qm綜合

結合洪水過程概化結果，對遼寧東部洪水過程的形狀系數進行推求，并推求了γ～t～Qt/Qm關系，結果見表3，如圖3所示。

圖3為遼寧東部漲水和落水過程的γ～t～Qt/Qm綜合關系線，結合此綜合關系線，可以推求不同峰值比下的形狀系數，結合形狀系數即可推求無資料地區的設計洪水過程，從圖3可以看出，各峰值比下的綜合關系線和散點的吻合度較高，表明該關系線的合理性較高。從表3中可看出，各站點的形狀系數的均值不同，遼寧東部小流域洪水過程的形狀系數總體在0.11～0.26之間。

圖3 遼寧東部洪水過程線形狀系數γ以及γ～t～Qt/Qm綜合

3 結論

(1)遼寧東部小流域(流域面積300km2以下)峰值比在0.005～0.05之間，峰值比的變化幅度較小，符合區域小流域洪水特點。

(2)利用推求的γ～t～Qt/Qm綜合關系線，結合小流域設計洪峰和洪量的比值，即可推求不同時段的小流域設計洪水過程，解決遼寧東部無資料小流域設計洪水過程的推求問題。

[1] 魏炳乾, 楊坡, 羅小康, 等. 半干旱無資料中小流域設計洪水方法研究[J]. 自然災害學報, 2017, 26(02): 32- 39.

[2] 劉長君. 多元copula分布函數在小流域設計洪水頻率分析中的應用研究[J]. 水利技術監督, 2017(01): 66- 70.

[3] 高鑫磊. 泃洳河流域設計洪水研究[D]. 清華大學, 2015.

[4] 許繼良, 徐慧. 無實測資料斷面設計洪水推求方法探討[J]. 水利規劃與設計, 2012(03): 20- 22, 70.

[5] 肖義, 郭生練, 方彬, 等. 設計洪水過程線方法研究進展與評價[J]. 水力發電, 2006(07): 61- 63.

[6] 石煒, 徐永波, 陳娟, 等. 華東地區小流域設計洪水計算方法探討[J]. 水利規劃與設計, 2015(12): 29- 31.

[7] 李敏. 廣東省小流域綜合治理工程設計要點淺析[J]. 水電與新能源, 2015(05): 1- 3.

[8] 鄭章忠, 石向榮. 小流域治理規劃中的水文分析[J]. 浙江水利科技, 2002(03): 13- 15.

[9] 鞠飛. 興城市山洪災害設計洪水計算方法分析[J]. 東北水利水電, 2016, 34(11): 34- 35, 38.

[10] 季亞輝, 韓林, 黃欣, 等. 山洪災害分析評價中小流域洪水計算方法研究[J]. 安徽農業科學, 2016, 44(20): 231- 233, 239.