子牙河流域洪水一致性修正研究

2015-01-04杨晓红

水利规划与设计 2015年9期

关键词：下垫面汇流幅度

杨晓红

（河北省秦皇岛水文水资源勘测局，河北秦皇岛066000）

子牙河流域洪水一致性修正研究

杨晓红

（河北省秦皇岛水文水资源勘测局，河北秦皇岛066000）

以子牙河流域为主要研究对象，研究探讨下垫面条件变化情况下流域产汇流变化趋势，采用“改进的河北雨洪模型”和降雨径流相关分析等方法，首次分析了流域下垫面条件变化引起的流域产汇流参数变化趋势及变化幅度，提出了降雨、径流相关水文要素的变异程度。对子牙河流域主要控制站的历史洪水系列进行了一致性修正，并对流域及主要控制站的设计洪水成果进行修订。

下垫面变化；人类活动影响；子牙河流域；洪水

1 流域概况

子牙河流域位于海河流域的中南部，西起太行山脉，东临渤海，南界漳卫河，北临大清河，横跨山西、河北、天津三省（市），流域面积4.6万km2。1963年大洪水后，于1965年先后开挖了滏阳新河、子牙新河等单独入海的河道。河系上游建有5座大型水库，13座中型水库和44座小型水库，总库容41亿m3。中下游建有4个主要枢纽。

子牙河流域属温带大陆性季风气候区，多年平均降水量为525m m，汛期平均降水量约占全年的78%，大暴雨多集中在7月下旬和8月上旬。如1963年内丘县獐么站最大7日降雨量达2051m m，为全流域乃至全国的最大纪录。又如1996年8月份的暴雨，野沟门水库最大24h降雨量588.7m m。

2 流域典型代表区选择与研究分期

结合子牙河流域实际情况，根据流域产汇流特点，将流域划分为山区、丘陵区、平原区三大类型分区，并在各类型分区中选择其流域典型代表区。

通过对典型代表站王岸站的汛期降水量和汛期天然径流量的计算，采用降雨径流相关法和双累积曲线法对降雨径流变化趋势进行分析，结论基本一致，即1980年前、后降雨径流关系发生较为明显的变异现象，具体见图1。因此，可以认为1980年为下垫面条件明显变化的分界点，在本次研究划分为建站以来～1979年和1980～2008年两个时期。

图1 王岸以上流域累积降水量与累积径流量关系曲线

3 水文要素相关程度变异分析

采用流域典型代表区的历史水文资料，建立其降雨～径流关系（P+P a～R、P～P a～R），分析同样量级降雨情况下，流域下垫面变化对产流量的影响幅度。建立W～Q m（W1日～Q m、W次～Q m）关系，分析同样径流量级情况下，下垫面条件变化造成洪峰流量的变化幅度。提出流域下垫面条件变化对产、汇流规律的影响以及主要水文要素相关程度的变异情况。

（1）Ma nn-K e nda l l秩次检验法。利用Ma nn-K e nda l l秩次检验方法，对王岸以上流域汇流单位线的峰值趋势变化进行分析，得到各时间序列的统计检验变量U Fk和U Bk值，见图2。图中水平直虚线为α=0.05显著性水平临界值（±1.96），实线代表U Fk，虚线表示U Bk值。由图可知，1959～2008年U Fk、U Bk曲线呈不规则的周期波动变化，但基本超出α=0.05显著性水平临界值，表明流域汇流单位线峰值在显著性水平α=0.05上，变化趋势显著。

图2 王岸流域单位线峰值Man n-Ke n d al l秩次检验方法统计变化

（2）线性滑动平均法。采用5阶线性滑动平均法，对汇流单位线峰值变化情况进行分析，结果见图3。由图可知，单位线峰值呈不规则周期波动变化，1980年前峰值较1980年后略大。

图3 王岸流域单位线峰值5阶滑动平均曲线

（3）线性趋势回归分析法。采用线性趋势回归分析法，对王岸流域的汇流单位线峰值变化情况进行了统计，结果见图4。由图可知，汇流单位线峰值随年代变化呈现减小趋势，1959～2008年峰值下降率为每年4.15 m3/s。

通过以上分析，三种分析方法得出的结论基本一致：受流域下垫面变化影响，流域汇流单位线峰值随年代的变化呈下降趋势。

图4 王岸流域单位线峰值变化趋势

4 山丘区洪水系列一致性修正

采用子牙河流域山丘区流域典型代表区的历史水文资料系列，建立降雨～产流量相关关系和洪量～洪峰相关关系，并分别对其精度和可靠性进行评定，探讨并确定子牙河流域山丘区洪水系列一致性修正的经验相关法。采用子牙河流域山丘区典型代表区的历史水文资料系列，利用改进的河北雨洪模型及新安江—海河流域水文模型对历史暴雨洪水进行模拟分析，并分别对其模拟精度和可靠性进行评定，探讨并确定子牙河流域山丘区洪水系列一致性修正的模型方法，具体见图5～8。

图5 平山以上流域1956年洪水单位线模拟分析成果图

图6 平山以上流域1963年洪水单位线模拟分析成果图

图7 朱庄水库以上流域1956年洪水单位线模拟分析成果图

图8 朱庄水库以上流域1963年洪水单位线模拟分析成果图

通过对平山、朱庄以上流域代表性暴雨洪水分析，采用流域汇流单位线法对洪峰的修正成果与模型模拟法的修正成果基本一致，说明流域汇流单位线法对大洪水洪峰修正精度是令人满意的。

5 主要控制站洪水系列一致性修正

分别采用模型模拟和经验相关分析两种方法，对子牙河流域主要控制站的洪水进行一致性修正，以便两种成果相互佐证，提高成果的可信度。

采用改进的河北雨洪模型和平原区超渗蓄满产流模型进行洪水（涝水）系列一致性修正。

采用降雨径流相关法对各主要水文控制站以上流域的洪水进行综合分析，并根据分析成果，提出相同降雨情况下，因流域下垫面变化引起的流域产流量（洪水）及洪峰流量的减少幅度和变化趋势，从而对各主要控制站的洪水系列进行一致性修正。

（1）统计方法修正举例

据计算的临城以上流域降雨径流相关因素，以P+P a为纵坐标，以R为横坐标，在同一张图上分别点绘不同时期的P+P a～R相关点据，并根据点据分布趋势分别建立1980年前、后相应的P+ P a～R相关关系，详见图9所示。

图9 临城水库以上流域1980年前后降雨径流相关图

根据《水文情报预报规范》SL 250-2000规范标准，对临城水库以上流域不同时期的P+pa～R相关关系进行精度评定。经评定，临城水库以上流域1980年前19次洪水，合格场次15场，合格率为78.9%，1980年后23次洪水，合格场次18场，合格率为78.2%。

假定不同的P+P a值，分别查算其1980年前和1980年后相应的产流量及变化幅度，详见表1。

表1 临城水库以上流域降雨产流及变化幅度计算成果单位：m m

根据上表数据，点绘临城水库以上流域的P+ P a值与产流量减少幅度相关图，如图10所示。

根据计算的临城以上流域1980年以前的P+ P a值，查临城以上流域P+P a值与产流量减少幅度相关图，求得各场次洪水的修正幅度。然后，将1980年前各场次的实测洪水（径流深）乘以（1—修正幅度），即可求得该场次洪水（径流深）的修正成果，中、小水洪峰流量修正采用峰量同倍比法，大水采用经验单位线法。

（2）模型方法修正举例

采用临城水库以上流域1956～2008年的所有暴雨洪水的水文资料系列，分1956～1979年、1980～2008年两个时期，按最大3日洪量系列进行频率分析，然后按照3日洪量的大小进行分级。采用改进的河北雨洪模型，分别对临城水库以上流域的1980年以后大、中、小洪水系列进行洪水模拟，模拟成果见表2。

图10 临城水库以上流域P+P a值与产流量变化幅度相关图

6 结论

采用模型模拟及降雨径流经验相关两种方法，对子牙河流域主要水文控制站的1980年以前的洪水系列分别进行了一致性修正。修正成果表明，受流域下垫面条件变化影响，在同样降雨情况下，子牙河流域流域产生的洪水均呈减小趋势。

对子牙河流域山丘区来讲，大洪水的平均修正幅度一般在10%以内，中等洪水的平均修正幅度一般在10%～50%之间，小洪水的平均修正幅度一般在50%～80%之间。经初步分析，流域下垫面条件变化对洪水影响存在以下基本趋势，对于同一流域，在相同降雨量情况下，洪水减小的幅度与洪水的量级成反比，即洪水的量级越大，减小的幅度越小；在相同降雨量级情况下，洪水减小的幅度与流域面积也有一定关系，一般流域面积越大，减小幅度越大；在相同降雨量级和流域面积相近的情况下，平原区洪水减少的幅度最大，丘陵区次之，山区减少的幅度最小。