嘉陵江鳳州水文站洪水分析計算

高 娜，范麗華

（1.寶雞水文水資源勘測中心,陜西 寶雞 721000；2.榆林水文水資源勘測中心,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,陜西境內流經鳳縣東河橋,黃牛鋪鎮、鳳州鎮,于鳳縣雙石鋪西南8 km處入甘肅兩當、徽縣,又從漢中市略陽縣白水鎮復入陜境,繼而蜿蜒南流,經橫現河、洛陽城西、寧強縣流入四川廣元,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。

嘉陵江徑流年內分布不均,因此洪水災害時有發生,暴雨是嘉陵江洪水形成的主要因素。

根據暴雨區位置分布不同,該流域主要有三種洪水類型。一是全流域發生較大強降雨所形成的峰量和洪量都較大的洪水；二是上游強降雨造成的持續時間長,洪水峰量一般,但洪水總量大的洪水；三是中游強降雨形成的持續時間短,洪峰大,局部性強的洪水。根據多年資料表明,上游秦嶺一帶多出現短歷時暴雨,強度大,易造成洪水災害[1]。

嘉陵江洪水主要集中在汛期（5月～10月）,一般洪水主要發生在5月～10月,特大洪水主要發生在7月～9月。洪水特性歷時短、洪峰高,歷時一般2天～3天,由秋季連陰雨形成的洪水,峰型矮胖,歷時較長。鳳州水文站為嘉陵江上游重要控制站,通過對該站實測洪水資料系列進行三性審查分析,并進行頻率計算,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,位于東經106°38',北緯33°58',測站控制流域面積688 km2。該站為嘉陵江上游中等面積區域代表站,其上游主要支流有場房溝、黃牛溝、三岔河、紅花溝。流域內設立有黃牛鋪、紅花鋪、河口、小五嶺、唐藏、鳳縣、南星等雨量站。測驗河段為沙礫石河床,河段順直,下游2 km處有安河匯入,測站控制良好,洪水主要來源于嘉陵江上游及區間,水位流量關系呈繩套型,一般沙峰遲于水峰。測驗項目有水位、流量、泥沙、降水量、蒸發量。水系站網分布見圖1。

圖1 嘉陵江鳳州水文站站網分布圖

2 歷史洪水調查

根據鳳縣志記載,鳳縣自1900年以來共發生過3次特大洪水,分別為1933年、1981年、1990年[3]。對于1981年洪水,根據鳳縣水利志,鳳州水文站資料及陜西省洪水調查成果,綜合分析確定洪峰流量為1640 m3/s,重現期為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,測驗河段比較順直,矩形河槽,高水控制良好,洪水時斷面沖淤變化大,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,該成果經過整編刊印,水文資料準確連續,滿足分析可靠性要求。

3.2 一致性分析

通過調查,嘉陵江風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,人類活動影響較小,樣本資料系列的一致性較好,因此,對洪水資料無需進行修正和還原計算。

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間變化沒有明顯的增加或減少趨勢,累計曲線點群分布規律,斜率基本一致,因此整個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差積曲線進行豐枯變化分析。

（1）洪峰流量過程線分析

繪制歷年最大洪峰流量歷時曲線,見圖3。由圖3可以看出,在39年實測洪水資料中,包含了大、中、小各種洪水,其中較大洪水主要發生在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,資料系列連續,代表性好,能滿足洪水頻率計算要求[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期,表示該時期洪峰流量豐、平、枯交替出現。

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年實測洪水資料系列中包含了豐、平、枯且交錯出現,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律,資料系列代表性良好,滿足洪水分析計算要求。

3.3.2 統計參數穩定性分析

（1）累積均值分析

對鳳州水文站洪峰流量分別進行順時序、逆時序累積均值計算,并點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,洪峰流量順時序、逆時序累積均值均逐漸趨于穩定,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關系圖

（2）累積CV值分析

對鳳州水文站洪峰資料系列進行順、逆時序CV值累積計算,點繪CV值隨年份變化的過程線圖,見圖6。由圖6可以看出,無論是正時序還是逆時序,累積CV值隨著資料系列的增加均趨于穩定。

圖6 鳳州水文站年最大洪峰流量累積CV 值與歷時關系圖

經綜合分析得出,隨著洪水系列的增加,系列順、逆時序洪峰流量累積均值和變差系數CV值均趨于穩定,因此,作為洪水頻率分析計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算

將鳳州水文站1984年～2022年共39年實測洪水和歷史洪水（1981年）組成的不連序洪水系列,選擇獨立樣本法進行頻率計算,在計算時將1981年調查洪水作為特大值進行處理,重現期500年一遇,用矩法初估統計參數值,采用皮爾遜Ⅲ曲線適線調整初估參數,統計參數及計算結果見表1,頻率曲線見圖7。

圖7 鳳州水文站洪峰流量頻率曲線圖

對于實測系列構成的樣本,n個觀測值是連序的,故經驗頻率為：

對于調查考證期N年內的特大值系列,特大洪水經驗頻率為：

表1 鳳州水文站設計洪峰流量計算成果表 單位：m3/s

5 結語

鳳州站作為嘉陵江寶雞段唯一控制站,收集嘉陵江各項水文特征,為防汛抗旱部門及下游地區提供實時水文情報預報,為防災減災提供了依據。自1984年建站以來,鳳州水文站實測洪水資料系列連續,真實可靠,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律。

經過上述分析計算,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。