無資料小流域水庫設計洪水計算方法分析

李增國 張楠 張振杰 郭玲梅

摘要：水庫設計洪水成果對于水庫規模的確定和泄洪設施的布置至關重要。針對無資料小流域地區傳統設計洪水計算方法的結果與流域實際暴雨洪水特性出入較大的問題，提出了實測暴雨移置法，在充分分析區域暴雨洪水特性基礎上，利用鄰近暴雨實測資料推求水庫設計洪水。以云南省臨滄市某水庫工程為例，使用暴雨移置法推求得該水庫66 a一遇洪水為96.5 m3/s，與洪水調查結果吻合良好。

關鍵詞：洪水計算;鄰近暴雨實測資料;暴雨移置法;小流域;濕潤地區

中圖法分類號：TV122.3

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.05.004

水庫設計洪水的推求是水庫勘測設計階段的一項重要工作，關系到水庫規模的確定、泄洪設施的設計布置、水庫調度運行方式的選擇等。大多小（1）型和中型水庫工程設計時，流域內無實測暴雨洪水資料或只有短期的實測資料，無法滿足計算要求。對于西南濕潤無資料地區，通常使用經審批的地區暴雨統計參數等值線圖集獲取水庫流域中心處的暴雨統計參數，由設計暴雨推求設計洪水，另外也可用推理公式法或地區經驗公式法推求設計洪水。但對于部分小流域，暴雨圖集法查得的暴雨統計參數與流域暴雨特性出入較大，所推求的設計洪水偏差較大。本文以云南省臨滄市某水庫工程為例，分別采用云南省暴雨統計參數等值線圖集（以下簡稱“暴雨圖集法”）和移置鄰近實測暴雨資料（以下簡稱“暴雨移置法”）兩種方法推求設計暴雨，通過對比分析確定水庫設計暴雨成果，然后推求水庫設計洪水。

1 流域概況

水庫位于云南省臨滄市耿馬縣勐永鎮境內的芒佑河上游，控制徑流面積12.2 km2，河長4.98 km，河道平均比降128‰。芒佑河屬于怒江流域南汀河水系，為南汀河左岸加入的一條二級支流。芒佑河上游流域位于東經99°50'～99°52、北緯23°54'～23°57。設計流域內為無人居住區，水庫庫區附近有少部分耕地，面積為0.6 km2，其余大部分為森林覆蓋，覆蓋率達95%。芒佑河干流全長23 km，徑流面積159 km2，天然落差1 877 m。從河源至水庫大壩下游約7 km處的河段稱為芒佑河，往下稱白木河，至小塘壩村附近河段稱塘壩河，再往下至勐段村附近河段稱勐段河，最后在河底崗附近流人河底崗河。芒佑河流域水系見圖1。

2 暴雨洪水特性

水庫流域洪水由暴雨形成，芒佑河屬河底崗河右岸支流，流域地處哀牢山脈西側，流域暴雨的天氣系統主要為冷鋒低槽型、冷鋒切變型。流域位于孟加拉灣暖濕氣流的迎風面，河谷深切，河流走向與水汽人流方向基本一致，故形成流域內暴雨次數多、暴雨量級較大的特點。鄰近的河底崗和大興雨量站與水庫同屬河底崗河流域，且距離較近，地形地貌、下墊面條件和氣候條件基本一致，暴雨洪水特點相似。根據鄰近河底崗雨量站39 a實測資料統計，歷年最大日降水量超過100 mm的大暴雨有3場，其中實測最大日降水量168.5 mm，發生于2014年7月21日;實測第二大日降水量為143.3 mm，發生于1989年9月15日;實測第三大日降水量為108.8 mm，發生于1986年7月25日。多年平均最大日降水量為70 mm。與暴雨對應，90%的年最大洪水集中在7-9月，7-8月最為突出，發生概率超過70%。該流域具有山區河流洪水的特性，洪水陡漲陡落，起漲歷時一般在1-3h，次洪歷時一般不超過24 h，多為單峰型洪水過程。

3 設計暴雨推求

3.1 云南省暴雨圖集法

根據SL44-2006《水利水電工程設計洪水計算規范》[1]規定，對于無資料地區，可從通過審批的暴雨統計參數等值線圖上查算工程所需歷時的設計點暴雨量[2-3]。通過云南省暴雨圖集[4]（資料截止2000年，于2007年通過云南省水利廳審定）查得水庫流域暴雨統計參數，其中，最大1，6，24 h暴雨均值分別為35，48 mm和77 mm，G值分別為0.43，0.49和0.48，Cs=3.5Cv。

根據水庫位置的暴雨區劃，由云南省分區綜合時一面-α，β的關系表查得水庫1-24 h設計面暴雨量，由云南省1d暴雨分區綜合雨型表得水庫24 h設計面暴雨時程分配過程，即表1中采用暴雨圖集法推求計算的結果。

3.2 暴雨移置法

3.2.1 實測暴雨資料

水庫流域下游的河底崗雨量站有2005 - 2017年短歷時暴雨資料和1979 - 2017年最大ld暴雨資料系列，鄰近流域的大興雨量站有1979 - 2017年長系列短歷時暴雨資料。河底崗、大興雨量站與水庫流域中心直線距離分別為16 km和16.5 km，根據水庫鄰近雨量站點分布及其實測暴雨資料情況，選取這兩站的實測暴雨資料對水庫及鄰近區域暴雨特性進行分析。

對大興雨量站已有的實測最大1，6，24 h暴雨量與日暴雨建立相關關系，得出綜合折算系數K1=0.481、K6=0.729、K24=1.090，其中24 h暴雨與日暴雨相關系數達0.91，另外兩個時段的相關系數也在0.6以上，說明該區域暴雨時程分配相對規律，用日暴雨資料推求短歷時暴雨可行。

根據大興雨量站1，6，24 h暴雨量與日暴雨相關系數，將河底崗站實測日暴雨系列插補延長缺測年份的1，6，24 h暴雨，得到該站1979 - 2017年（n=39a）1，6，24 h短歷時暴雨系列。大興站以自記為主，人工校測，暴雨資料系列長度已超過30a，資料可靠且系列具有一定代表性。雖然河底崗站只有10 a的實測1，6，24 h短歷時暴雨系列，但最大日暴雨系列已達32 a，且短歷時暴雨系列最大值和日暴雨系列最大值均發生在2014年，故通過展延后的短歷時暴雨系列資料基本可靠。

依據河底崗、大興雨量站1979 - 2017年（n=39a）1，6，24 h暴雨系列，用數學期望公式計算經驗頻率，矩法初估統計參數均值和G值，取Cs=3.5G，以P-Ⅲ型曲線為線型，用目估適線法確定統計參數，并與河底崗、大興雨量站1，6，24 h查圖值進行比較，見表2。

3.2.2 暴雨統計參數移置

由表2可知，河底崗雨量站1，6，24 h實測暴雨均值與G值均比查圖值大;大興雨量站1，6，24 h實測暴雨均值比查圖值大、G值比查圖值小。水庫流域與大興和河底崗雨量站直線距離均較近，但河底崗雨量站與水庫為同一河谷區，屬上下游關系，故河底崗站暴雨特性更能代表水庫流域，且河底崗站2014年最大24 h暴雨量達178.5 mm，約為66 a-遇，為有實測記錄以來的最大值，實測暴雨資料系列樣本較大興雨量站更具代表性。故移置河底崗站實測暴雨資料推求水庫設計暴雨更合理。

分別用暴雨圖集查出河底崗雨量站和水庫流域中心的1，6，24 h暴雨及其參數，根據兩個位置查圖值的差異計算修正系數，對河底崗站暴雨系列資料進行修正后移置到水庫流域，暴雨參數移置成果見表3。

在河底崗站實測暴雨資料系列中挑選降水量較大、雨型對工程最不利的暴雨過程為典型暴雨進行設計暴雨推算，“20140721”實測暴雨過程見圖2。

采用1，6，24 h移置暴雨成果控制作同頻率放 大典型暴雨過程，其同頻率放大系數按式（1）～（3）計算。

《云南省暴雨徑流查算實用手冊》[5]查得水庫流域的點、面換算系數，將水庫設計點暴雨成果乘點面系數得設計面暴雨過程，即表1中采用暴雨移置法推求計算的結果。

3.3 設計暴雨成果選用

從表3可知，移置鄰近實測暴雨資料得到的暴雨統計參數比采用查圖法得到的暴雨統計參數更大，主要是由于云南省暴雨統計參數等值線圖集資料截止2000年，而實測資料暴雨資料系列現已增加了17 a，特別2014年水庫流域發生了較大暴雨，水庫下游的河底崗雨量站日暴雨達168.5 mm，為39 a實測最大值，鄰近的大興雨量站日雨量達107 mm，為39 a實測第二大值。根據SL44-2006《水利水電工程設計洪水計算規范》[1]的規定，從通過審批暴雨統計參數等值線圖上查算工程所需歷時的設計點暴雨量。當本地區或鄰近地區發生大暴雨，或依據不同年代圖集查算成果差別較大時，應對查算圖表進行合理性檢查，必要時作適當調整。因此，水庫設計暴雨成果采用暴雨移置法推求的成果。

4 設計洪水推求

4.1 由設計暴雨推求設計洪水

通過查《云南省暴雨徑流查算實用手冊》相關圖集得水庫產匯流分區，然后根據水庫產流分區和設計暴雨過程進行產流計算，采用初損后損法推算得到水庫設計凈雨過程。根據水庫設計凈雨過程、匯流分區及流域特征參數，用納西瞬時單位線法推求出水庫斷面的設計洪水過程，水庫設計洪峰和最大24 h洪量見表4。

4.2 設計洪水成果合理性分析

2014年該水庫流域發生了大洪水，根據當地水文部門2014年7月25日對水庫流域的洪水調查成果，其洪峰流量為88 m3/s，重現期為66 a一遇。而用暴雨移置法推求得水庫66 a一遇洪水為96.5 m3/s，與洪調成果相對偏差為8.8%，說明暴雨移置法推算的設計洪水成果合理。

5 結語

水庫流域屬于無資料地區，僅水庫流域下游的河底崗有暴雨資料。根據資料條件，采用暴雨圖集法計算設計洪水，而設計暴雨分別采用移置河底崗雨量站暴雨資料和查云南省暴雨統計參數等值線圖推求。本文分析結果表明，移置河底崗雨量站暴雨資料的方法推求設計暴雨成果更符合流域實際，推求的水庫設計洪水也更合理。

對于西南濕潤地區的無資料區域，中小型水庫設計洪水以暴雨推求洪水的方法為主，其設計暴雨可通過查暴雨統計參數等值線圖、移置鄰近實測暴雨資料、建立區域暴雨高程關系等方法推求，但應在充分分析流域暴雨洪水特性的基礎上確定合理的設計暴雨推求方法。

參考文獻：

[1] SL 44-2006水利水電工程設計洪水計算規范[S].

[2]梁忠民，鐘平安，華家鵬.水文水利計算[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[3]金光炎.水文統計理論與實踐[M].南京：東南大學出版社，2012.

[4] 云南省水利廳.云南省暴雨統計參數圖集[R].昆明：云南省水利廳，2007.

[5] 云南省水利廳.云南省暴雨洪水查算實用手冊[R].昆明：云南省水利廳，1992.

（編輯：李慧）

作者簡介：李增國，男，工程師，主要從事水文測驗整編、水文預測預報、水情水資源分析等方面的工作。E-mail：412808166@qq.com