浅析中小流域设计洪水的地区组成

龙章发，龚红梅

(1.贵州新中水工程有限公司， 贵州 贵阳 550004; 2.贵州中水建设管理股份有限公司， 贵州 贵阳 550002)

浅析中小流域设计洪水的地区组成

龙章发1，龚红梅2

(1.贵州新中水工程有限公司， 贵州 贵阳 550004; 2.贵州中水建设管理股份有限公司， 贵州 贵阳 550002)

防洪设计中，设计断面上游调蓄作用较大的水库或分洪、滞洪等工程，对洪水具有调节作用，改变了天然洪水的状况，直接影响了下游设计断面的设计洪水。对中小流域而言，水文观测资料相对比较缺乏，为合理推求下游防洪控制断面设计洪水，从设计暴雨的地区分布着手，根据各分区洪水过程线，通过试算得出各分区洪水的组合方式，并分析得出下游控制断面的设计洪水成果。研究表明该方法切实可行，可以定性、定量分析上游水库调蓄作用对下游洪水的影响。

设计暴雨；地区分布；水量平衡；削峰滞洪；洪水组成

流域内设计洪水地区组成是带有明显随机性的，受各分区流域的特征参数、下垫面情况，流域内暴雨中心位置及其变动情况[1]、雨区的移动方向等因素影响较大[2]。目前，随着水利学科的发展，多变量的联合水文分析方法成为水文分析计算领域的一个关注热点[3]，尤其是近年来Copula函数[4]在水文领域的成功应用，使得其推求设计洪水的地区组成成为可能。在实际的工程应用中,设计洪水地区组成常用的方法主要有地区组成法(典型年组成法，同频率组成法)、频率组合法、随机模拟法等[5]。但是针对各中小流域设计洪水地区组成的计算，由于水文资料的缺乏，考虑的因素比较单一，在实际应用中仍然不尽合理[6]。文中以菱溪水库为例，根据水库流域以上各分区设计暴雨的地区分布情况，推求各个分区的设计洪水。通过天然洪水过程线峰、量加以控制，试算得到流域上各分区洪水的组合的错峰时间。进而考虑上游陈田水库的调蓄作用后，采用天然情况下的洪水组合方式，推求得到菱溪水库坝址断面的设计洪水过程。

1 工程流域概况

菱溪水库位于福建省惠安县西北部，是一座以灌溉为主，结合防洪、发电和供水等综合利用的中型水库。1956年6月建成，大坝为黏土心墙坝，坝址以上控制流域面积51.2 km2，主河道长度16.2 km，平均比降21‰，兴利库容1 681.1万m3，总库容3 060万m3，水库防洪标准为100年一遇设计，2000年一遇校核。1972年，菱溪水库上游8.0 km处兴建陈田水库，大坝为黏土斜墙坝，坝址以上控制流域面积29.2 km2，主河道长度8.0 km，平均比降27‰，兴利库容1 742万m3，总库容2 563万m3，水库防洪标准为100年一遇设计，2000年一遇校核。随着陈田水库的兴建，其对上游洪水的调蓄，使得下游菱溪水库的洪水过程发生较大变化。各分区流域特征参数见表1，流域示意图见图1。

表1 各分区流域特征参数表

图1 流域示意图

2 设计暴雨地区分布

设计暴雨的地区分布依据水量平衡原理[7]，采用同频率控制法[8]，根据各分区流域的设计面雨量，当菱溪水库坝址以上总流域发生指定频率的设计面雨量时，陈田水库坝址以上流域也发生同频率暴雨，菱溪水库坝址至陈田坝脚则为相应雨量，即：

(1)式中：HA、HB、HAB分别为陈田水库流域、菱溪水库流域、区间流域设计暴雨，mm；FA、FB、FAB分别为陈田水库流域、菱溪水库流域、区间流域集雨面积，km2。

同理，当菱溪水库坝址以上流域发生指定频率的设计面雨量时，菱溪水库坝址至陈田坝脚区间也发生同频率暴雨，陈田水库坝址以上流域则为相应雨量。根据以上原理，可以求出P=0.05%时菱溪水库与陈田水库同频、区间相应(以下称组合Ⅰ)以及菱溪水库与区间同频、陈田水库相应(以下称组合Ⅱ)两种组合情况下的设计暴雨，见表2。

表2 各分区流域最大24 h设计暴雨成果表

单位：mm

3 设计洪水地区组成

研究设计洪水的地区组成，应在分析计算设计断面天然情况下设计洪水峰、量及洪水过程线[9]的基础上进行。考虑到影响洪水地区组成的因素较多[10]，并且由于中小流域地区实测资料比较缺乏，难以从各个方面一一考虑。本文以天然情况各分区不同组合情况下的洪水过程线为基础，通过试算得出各分区洪水过程的组合方式。

3.1 天然情况下设计洪水

根据之前推求所得的各流域不同组合情况下的设计暴雨，根据地区暴雨洪水设计手册，采用推理公式法[11](见式(2)、式(3))即可推求出天然状况下各流域考虑不同组合情况下的设计洪水及洪水过程线。天然状况各流域不同组合情况下设计洪水成果见表3。

(2)

(3)

式中：Qm为设计洪峰流量，m3/s；h为历时内的最大净雨量，mm；τ为流域汇流时间；m为采用福建沿海地区经验汇流参数；L为沿主河道从坝址至分水岭的最长距离，km；J为沿流程L的平均比降,‰；F为流域面积,km2。

表3 天然状况各分区流域不同组合情况下 (P=0.05%)设计洪水成果表

3.2 菱溪水库坝址设计洪水组成

陈田水库坝址距离菱溪水库8.2 km，区间河道平均比降14‰，根据上述方法推求所得的天然状况下各分区P=0.05%的设计洪水过程线，将陈田水库洪水过程线与区间洪水过程线按不同错峰时间(0.50 h、0.75 h、1.00 h)叠加后跟菱溪水库坝址天然情况下的洪水过程线相比较，从洪峰、洪量以及涨峰退水过程上比较分析得出，错峰0.75 h叠加后的洪水过程跟天然情况下菱溪水库坝址的设计洪水过程基本一致。根据菱溪水库管理站的实测资料，洪水情况下陈田水库下泄洪水到达菱溪水库的时间约为1.00 h左右，本次试算所得2 000 a一遇洪水情况下错峰时间为0.75 h，比实测时间稍短，符合洪水的一般规律，成果合理。

菱溪水库的入库洪水为陈田水库调节后的下泄洪水过程与区间洪水过程叠加而成，由于区间河床较陡(J=18‰)，本次洪水叠加不考虑区间河道[12]的槽蓄影响[13]，只考虑陈田水库下泄洪水与区间洪水的错峰时间。根据洪水地区组成的两种方案，将陈田水库对发生同频率洪水和相应洪水分别调蓄后的下泄流量，与陈田水库～菱溪水库区间相应洪水和同频率洪水过程错峰0.75 h后叠加，得到两种组合情况菱溪水库的入库洪水过程(如陈田水库第15 min(0.25 h)泄流量为5.5 m3/s，陈田水库-菱溪水库区间第60 min(1.00 h)来水量12.3 m3/s，则第1 h菱溪水库入库流量为17.8 m3/s)，菱溪水库坝址洪水过程见图2。

图2 菱溪水库坝址洪水过程线

4 设计洪水成果分析

由于上游陈田水库的兴建，控制流域面积29.2 km2，约占菱溪水库坝址以上流域面积60%，兴利库容1 742万m3，总库容2 563万m3，调蓄能力较强，对陈田水库坝址以上控制流域洪水的削峰作用非常明显达55%，对菱溪水库坝址流域削峰达35%左右。根据图2，通过上游陈田水库调蓄作用后，菱溪水库坝址洪水过程与天然洪水过程相比发生了较大变化。由于陈田水库削峰滞洪[14]的影响，菱溪水库洪水过程涨峰时段洪量减少，洪水组成主要以区间洪水为主，峰现时间[15]提前；退水过程却变得相对较缓，洪量增加，洪水组成以陈田水库下泄洪水为主。由此表明，在流域下垫面条件改变及上游水库调蓄影响下，本次推求所得菱溪水库坝址洪水过程，与该流域的实际洪水特性比较吻合，洪水成果基本合理。

5 结 语

本文对考虑上游水库调蓄作用后的设计洪水进行了研究。根据水量平衡原理，通过分析计算设计暴雨的地区分布、洪水频率组合方式以及考虑上游水库削峰滞洪影响，推求下游设计洪水。由文中实例成果表明，该方法切实可行，可以定性、定量分析上游水库调蓄作用对下游洪水的影响。对中小流域设计洪水地区组成的计算有一定的参考及实践价值。

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Analysis of Regional Composition of Design Flood in Small and Medium River Basin

LONG Zhangfa1, GONG Hongmei2

(1.GuizhouXinzhongshuiEngineeringCo.,Ltd.,Guiyang,Guizhou550004,China;2.GuizhouZhongshuiConstructionManagement,Guiyang,Guizhou550002,China)

In flood protection design reservoirs or flood diversion and detention projects with significant flood-egulating functions at the upstream design section are of significance to flood regulation, because they change conditions of natural flood and have direct influences on the design flood to the downstream design section. For medium and small basins, the hydrological data are relatively limited. To accurately calculate the peak flow of downstream design section, in this paper we start from the regional distribution of design rainstorm, and then according to the flood hydrograph of each district, the combination mode of flood in each district is obtained by trial calculation, and the design flood results of downstream control section are obtained. The results show that the method is feasible and can provide qualitative and quantitative analysis of the influence of upstream reservoir regulation of downstream flood.

design rainstorm; regional distribution; water balance; peak clipping and flood detention; flood composition

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.045

2016-11-25

2017-01-10

龙章发(1987—)，男(苗族)，湖南怀化人，工程师，主要从事工程水文及水资源规划设计工作。 E-mail:2621528390@qq.com。

TV122

A

1672—1144(2017)02—0237—04