考慮暴雨修正的水文比擬法應(yīng)用實例

劉 穎，張 僑，蒙天易，湯飛飛

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

貴州省位于我國西南部、地處云貴高原，境內(nèi)92.5%的面積為山地和丘陵。區(qū)域地形崎嶇、坡度大。地貌以巖溶低山、溶丘洼地、溶丘盆地為主，河谷大都切割較淺，并分布有3～4級階地，一、二級多為堆積或內(nèi)迭階地，三、四級多為基座或侵蝕階地。在巖溶區(qū)，較大河流兩側(cè)常有大泉或暗河在近河面處排出[1-2]。貴州屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，境內(nèi)氣候溫暖濕潤，降水較多、雨季明顯，受大氣環(huán)流及地形等影響，省內(nèi)氣候呈多樣性且不穩(wěn)定，“一山分四季，十里不同天”。獨特的地形地貌造、多變的氣候使貴州省內(nèi)各流域的暴雨洪水差異較大。

目前，水利水電工程設(shè)計洪水計算方法有“雨洪法”、“水文比擬法”等，“雨洪法”根據(jù)各地區(qū)《暴雨洪水計算手冊》，并結(jié)合不同的流域面積選取不同的雨洪計算公式[3]，但該方法不適用于集水面積大于300km2的流域[4]；“水文比擬法”則是依據(jù)流域附近的參證站實測系列，采用面積比計算設(shè)計洪水[5-7]。當(dāng)采用常規(guī)“水文比擬法”計算相鄰流域的設(shè)計洪水時，僅考慮面積比修正，而忽略了參證站與設(shè)計流域暴雨洪水特性的差異，且不符合實際情況。

因此，文章同時采用常規(guī)水文比擬和考慮面上暴雨修正的水文比擬兩種方法來計算設(shè)計洪水，并將其應(yīng)用于貴州省江口縣小江河桃映段防洪治理工程中，同時結(jié)合設(shè)計流域歷史洪水調(diào)查成果，來綜合分析確定設(shè)計洪水成果，使洪水計算成果更符合實際。

1 防洪工程及流域概況

貴州省江口縣小江河桃映段防洪治理工程位于江口縣桃映鎮(zhèn)境內(nèi)，距離江口縣城19.5km，所在河流為長江流域沅江水系錦江一級支流小江河。流經(jīng)貴州省松桃苗族自治縣、江口縣、銅仁市和湖南省鳳凰縣，發(fā)源于松桃縣寨英鎮(zhèn)興家莊村，向東南流經(jīng)茶子灣、落滿、寨英、王家坪、凱牌、岑鼓坡進(jìn)入江口縣怒溪鎮(zhèn)，經(jīng)長坪、河對門、大坪、地樓、錦花村進(jìn)入江口縣桃映鎮(zhèn)，經(jīng)桃映社區(qū)、翁稿村、翁會村、溪口村、小屯村進(jìn)入銅仁市碧江區(qū)和平鄉(xiāng)，經(jīng)稿坪、和平村、陳家寨村、龍魚村，左納德勝屯河、至兩河口左納大梁河，經(jīng)白馬洞、清水塘轉(zhuǎn)南流，至銅仁碧江區(qū)銅巖注入錦江。流域總面積1373km2，流域呈寬短形。貴州省境內(nèi)面積1328km2，干流河長91km，平均比降11.1‰，占全流域面積的96.7%。

小江河上游多為天然岸坡，缺少防護(hù)措施，目前河道行洪能力較低，洪災(zāi)頻繁，汛期洪水沖刷較嚴(yán)重、穩(wěn)定性差，沿河兩岸村寨集中，發(fā)生較大洪水可能造成塌岸，造成較大的損失，迫切的需要修建防洪工程。本次防洪治理河段為小江河桃映洞—富里坳區(qū)間河段，治理河段總長約9.5km，治理起點以上集水面積252km2，河長38.37km，比降17.1‰；治理終點以上集水面積624km2，河長61.15km，比降4.31‰。

2 設(shè)計洪水計算

2.1 參證站選擇

治理河段所在設(shè)計流域內(nèi)有清水塘水文站，周邊的錦江干流上分別有盧家洞、茅溪水文站和銅仁、江口水位站。工程流域內(nèi)設(shè)有寨英、普覺、勻都、桃映、和平等雨量站點，流域周邊有江口氣象站、銅仁氣象站、凱馬、太平、石硯、牛郎等雨量站點。

江口水位站資料不連續(xù)且系列短，清水塘、茅溪水文站僅有2014至今實測資料，均不適合作為水文參證站；盧家洞水文站與治理河段同屬錦江流域，集水面積3346km2，由銅仁水位站下遷而來，銅仁水位站集水面積3324km2，兩站集水面積差別小可合并為一站進(jìn)行分析，從距離、下墊面條件、產(chǎn)匯流條件上看，盧家洞水文站與設(shè)計流域基本相似，因此選用該站作為參證站。盧家洞水文站具有1975—2014年實測洪峰資料系列，銅仁水位站具有1953—1974年實測洪峰流量系列，銅仁水文站與盧家洞在錦江干流上為上下游關(guān)系，集水面積僅相差22km2，可將該站資料系列比擬至盧家洞，組成1953—2014年洪峰流量系列。

江口氣象站屬國家專用站，該站具有1959至今的連續(xù)降水資料系列，資料每年都進(jìn)行整編，成果可靠；在雨量站中，桃映雨量站、勻都雨量站和普覺雨量站均位于設(shè)計流域內(nèi)，且3站資料系列較長，資料連續(xù)性較好，氣候和下墊面條件基本相同；因此，選擇江口氣象站、桃映、勻都、普覺雨量站作為本次設(shè)計的暴雨參證站。

2.2 歷史洪水調(diào)查

2022年5月對該防洪工程所在河段進(jìn)行了歷史洪水調(diào)查，調(diào)查到1933年為最大洪水，該場洪水重現(xiàn)期約為70a一遇。根據(jù)治理河段實測縱橫斷面資料，采用曼寧公式進(jìn)行計算，治理起點斷面1933年洪峰流量約為1433m3/s、治理終點斷面1933年洪峰流量約為2820m3/s；調(diào)查到2021年洪水，重現(xiàn)期約為4a一遇，計算得到治理起點斷面2021洪峰流量約為474m3/s、治理終點斷面2021洪峰流量約為943m3/s。

2.3 設(shè)計洪水計算

2.3.1參證站設(shè)計洪水

盧家洞水文站具有1975—2014年實測洪峰資料，將該站資料系列比擬至盧家洞，組成1953—2014年實測洪峰資料系列，并加入1933和1935年歷史洪水，組成64年的不連續(xù)洪水系列。1995年實測洪水洪峰流量最大，1933年歷史洪水洪峰流量排位第二、1935年歷史洪水洪峰流量排位第三；1954年實測洪水洪峰流量排位第四，但比排位第三的1935年歷史洪水小很多，故將1933、1935和1995年3場洪水洪峰流量均提作特大值處理，首項1995年歷史洪水洪峰流量的重現(xiàn)期定為100年。

表1 盧家洞水文站設(shè)計洪水成果表

2.3.2常規(guī)水文比擬法

只考慮面積修正的水文比擬法計算公式如下：

(1)

2.3.3考慮暴雨修正的水文比擬法

考慮暴雨修正后，水文比擬法計算公式如下：

(2)

面積比指數(shù)一般通過本流域及鄰近流域相關(guān)測站的洪峰流量均值與集水面積建立冪回歸分析，冪指數(shù)即為面積比指數(shù)。根據(jù)《盧家洞水電站改擴(kuò)建工程可行性研究暨初步設(shè)計報告》中對本地區(qū)的分析成果，面積比指數(shù)為0.76，本次計算引用該成果。

設(shè)計洪水變差系數(shù)Cv取值依據(jù)貴州省洪峰流量變差系數(shù)Cv值與集水面積的關(guān)系的經(jīng)驗公式：

ΔCv=α×Lg(F治/F參)

(3)

式中，α—經(jīng)驗系數(shù)，取值范圍-0.1～-0.2，本次取值-0.1。

3 結(jié)果對比

根據(jù)盧家洞水文站設(shè)計洪水成果，采用上述公式，分別計算得到計算斷面設(shè)計洪水成果，見表2—3。

表2 設(shè)計洪水計算成果表

表3 設(shè)計洪水與歷史洪水成果對比表

結(jié)合歷史洪水調(diào)查成果分析：

治理起點70a一遇調(diào)查歷史洪水約為1433m3/s，4a一遇調(diào)查歷史洪水約為474m3/s，考慮暴雨修正比擬法中70a一遇(P=1.43%)設(shè)計洪峰流量為1460m3/s、4a一遇(P=25%)設(shè)計洪峰流量為482m3/s，兩者成果相差在2%以內(nèi)；同理，治理終點斷面70a一遇洪水約為2820m3/s，4a一遇洪水洪峰約為943m3/s，考慮暴雨修正的比擬法中70a一遇(P=1.43%)設(shè)計洪峰流量為2760m3/s、4a一遇(P=25%)設(shè)計洪峰流量為968m3/s，兩者成果相差在3%以內(nèi)。而歷史洪水調(diào)查成果與常規(guī)水文比擬成果相差較大。

由此可見，與考慮暴雨修正的比擬法之成果與歷史洪水調(diào)查成果更為接近、更符合實際。

4 結(jié)語

本文以銅仁市江口縣防洪治理工程為研究實例，以盧家洞水文站為參證站，分別采用常規(guī)水文比擬法和考慮暴雨修正的水文比擬法，將盧家洞站洪水成果比擬至防洪治理工程所在河段，并結(jié)合歷史洪水調(diào)查成果綜合確定設(shè)計洪水成果。結(jié)果表明：在治理起點和終點，考慮暴雨修正的比擬成果與歷史洪水調(diào)查成果相差在2%以內(nèi)，而常規(guī)水文比擬法成果與歷史洪水成果相差7.74%～12.1%。因此，考慮暴雨修正的比擬法成果與歷史洪水調(diào)查成果更為接近、更符合實際。

本文通過上述研究，為防洪工程設(shè)計洪水計算提供了參考，同時，未來還可對暴雨參數(shù)選取、面積分級修正等內(nèi)容進(jìn)行深入研究。