無資料地區(qū)中小水利工程設(shè)計(jì)峰量比值推求方法

劉雯雯

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110003)

無資料地區(qū)中小水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)需要對(duì)峰量比值進(jìn)行推求，而由于缺乏實(shí)測(cè)資料，設(shè)計(jì)峰量比值的推求一直是無資料地區(qū)水利設(shè)計(jì)的難點(diǎn)[1]。當(dāng)前，對(duì)于無資料地區(qū)的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算大都采用相似移用方法[2-5]，但這種方法較適用于區(qū)域洪峰的計(jì)算，在峰量比值的推算適用性不高。當(dāng)前，一種推求設(shè)計(jì)峰量比值的新方法在國內(nèi)一些區(qū)域得到應(yīng)用[6-9]，但是在北方地區(qū)應(yīng)用還較少，為此本文引入該方法，結(jié)合實(shí)測(cè)洪水?dāng)?shù)據(jù)，提出基于無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水峰量比值推求的方法，并以遼寧為研究實(shí)例，對(duì)遼寧省東部、西部的設(shè)計(jì)洪水過程線進(jìn)行推求，研究成果對(duì)于遼寧省無資料中小流域的設(shè)計(jì)洪水過程推求具有重要的參考價(jià)值。

1 研究方法

1.1 流域匯流時(shí)間τ的確定

根據(jù)圖1(水文分區(qū))確定設(shè)計(jì)區(qū)域的水文分區(qū)，按照區(qū)域水文手冊(cè)匯流歷時(shí)相關(guān)線或者由公式(1)計(jì)算流域的匯流時(shí)間τ值：

(1)

式中，X、Y—參數(shù)；L、J—河長(zhǎng)和河段平均坡度，取值可參照流域特征量的取值方法進(jìn)行計(jì)算。

1.2 設(shè)計(jì)洪峰的計(jì)算

根據(jù)確定的τ值，結(jié)合設(shè)計(jì)面暴雨的計(jì)算方法來計(jì)算設(shè)計(jì)匯流時(shí)間τ的面雨量PτP面以及算設(shè)計(jì)面暴雨強(qiáng)度ip。根據(jù)設(shè)計(jì)面暴雨強(qiáng)度ip值，可得到設(shè)計(jì)頻率下的洪峰系數(shù)φp，根據(jù)設(shè)計(jì)洪峰計(jì)算公式(3)計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰：

(2)

Qp=0.278φp·ip·F

(3)

1.3 設(shè)計(jì)洪量的計(jì)算

根據(jù)公式(4)～(6)計(jì)算24h和3d設(shè)計(jì)洪量，計(jì)算方程為：

W3P=0.1×a3P×P3P面×F

(4)

W(3-24)P=0.1×(P3p面-P24p面)×F

(5)

W24=W3P-W(3-24)P

(6)

式中，a3P、a24p—參數(shù)；P3p面-P24p面—為最大3d和最大24h設(shè)計(jì)面暴雨量，計(jì)算方法見設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算方法說明；F—為設(shè)計(jì)區(qū)域集水面積。

2 研究成果

2.1 水文分區(qū)成果

根據(jù)地理位置，遼寧省可分為東部、中部、西部以及半島地區(qū)。結(jié)合遼寧地貌特征，分成的4個(gè)區(qū)域分別為：中部平原、東部山地、半島丘陵和西部丘陵。中部平原與西部丘陵相鄰的部分區(qū)域，其北部與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤，該區(qū)域土壤沙化嚴(yán)重，與中部平原土壤明顯差異，因此將此區(qū)域單獨(dú)劃分為一獨(dú)立水文區(qū)，命為中北部。西部丘陵區(qū)的南部臨近渤海，位置具有特殊性，同時(shí)與北部的丘陵區(qū)氣候、坡度條件均有一定差異，因此，根據(jù)南北氣候、坡度差異將西部丘陵區(qū)又分成2個(gè)水文區(qū)。最終，一級(jí)區(qū)共劃分為6大水文區(qū)，分別命為中部Ⅰ區(qū)、中北部Ⅱ區(qū)、東部Ⅲ區(qū)、半島Ⅳ區(qū)、西部Ⅴ區(qū)、西部Ⅵ區(qū)，水文分區(qū)成果如圖1所示。

圖1 水文地理分區(qū)成果

2.2 洪水過程統(tǒng)計(jì)

為了概化出洪水過程線基本線型，對(duì)實(shí)測(cè)洪水進(jìn)行分析，內(nèi)容包括洪水過程線單和雙峰統(tǒng)計(jì)、漲洪歷時(shí)和總歷時(shí)確定、洪水過程線線型的概化。選用集水面積在600km2以下水文站(斷面遷移視為一個(gè)站)，共53個(gè)，資料系列截至2017年。以洪峰、洪量為指標(biāo)，從每個(gè)水文站分別選取洪峰、洪量排序前10的場(chǎng)次洪水，如果一場(chǎng)洪水的洪峰、洪量均排在前10，則合為一場(chǎng)。53個(gè)水文站中選取了542次洪水，見表1、如圖2所示。

表1 區(qū)域單雙峰統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 遼寧省中小流域洪水過程線概化圖

單雙峰統(tǒng)計(jì)：以72h為控制歷時(shí)，統(tǒng)計(jì)在該時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)的洪峰個(gè)數(shù)。在一次洪水過程中，其小峰流量小于等于主峰流量的10%，且峰現(xiàn)間隔時(shí)間小于24h，則該次洪水過程為單峰過程。若小峰流量大于主峰流量的20%，則為雙峰或多峰。分析的542次洪水中，單峰413次，雙(多)峰129次，分別占76.20%和23.80%。從各個(gè)分區(qū)看除IV區(qū)單峰為63.83%外，其余各區(qū)單峰數(shù)量均在70%以上，有的高達(dá)到85.71%。付峰在主峰前與在主峰后分別占雙峰的51.16%、48.84%，基本各為一半。從圖2中可看出，東部洪水過程峰值比要高于西部洪水過程的峰值比，東部峰現(xiàn)時(shí)間要高于西部。

2.3 洪水漲洪歷時(shí)T漲及總歷時(shí)T總分析確定

洪水歷時(shí)的確定是在各區(qū)概化洪水過程線上，取不同的Qt/Qm值在過程線上左右滑動(dòng)，確定過程線上起點(diǎn)與終點(diǎn)，起點(diǎn)到峰頂?shù)臅r(shí)間為T漲，起點(diǎn)到終點(diǎn)的時(shí)間為T總。分析結(jié)果見表2、如圖3所示。

從表2中可以看出，東西部中小流域漲落歷時(shí)均在3d，峰值比在0.005～0.01之間。從圖3中可看出，西部平均漲水歷時(shí)要短于東部，而落水歷時(shí)要長(zhǎng)于東部。

2.4 設(shè)計(jì)洪水過程線峰量比值的計(jì)算

分析各區(qū)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(shí)T，以此推求不同區(qū)域的峰量比值。分析結(jié)果如圖4所示。

表2 洪水過程漲落歷時(shí)分析成果表

γ值對(duì)應(yīng)的∑Qt/Qm與γT差值控制在0.05左右，洪峰處的比值為1，使推求的設(shè)計(jì)洪水過程線洪峰流量、洪量與設(shè)計(jì)的Qm、W3p相符。當(dāng)γ值小于0.05時(shí)，一般出現(xiàn)在小面積流域，洪水歷時(shí)在24h以內(nèi)。考慮小型水庫調(diào)洪的需要，小面積設(shè)計(jì)洪水過程線的洪量應(yīng)為參與調(diào)洪的洪量W調(diào)。參與調(diào)洪的洪量W調(diào)是24h洪量中主峰匯流歷時(shí)τ洪量與落水段2/3處洪量之和。

圖3 遼寧省洪水歷時(shí)概化過程圖

圖4 東、西部洪水張、落的峰量比值分析結(jié)果

3 結(jié)語

(1)結(jié)合推求的峰量比值關(guān)系圖，既可以推求設(shè)計(jì)洪峰和洪量，這種方法較為簡(jiǎn)便，在實(shí)際工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

(2)研究方法未考慮人類活動(dòng)影響，在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮人類活動(dòng)影響對(duì)區(qū)域設(shè)計(jì)洪水過程的影響，進(jìn)行調(diào)整。