辽宁东部无资料小流域设计洪水过程形状系数概化的计算方法研究

2018-06-14刘佳

水利规划与设计 2018年5期

刘佳

(辽宁省沈阳水文局，辽宁沈阳 110003)

对于有实测洪水数据的流域而言，一般主要结合实测洪水过程采用同频率或同倍比的方法推算设计洪水过程[1- 6]，而对于小流域设计洪水而言，缺少实测的洪水数据，使得洪水过程推求较为困难。当前，小流域设计洪水主要采用经验概化法处理，即从洪水资料中选出实测洪水即从洪水资料中选出实测洪水过程线，分析峰量关系、涨洪时间、峰现时间、洪水历时，概化出洪水流量时程分配过程。辽宁东部山洪小流域众多，山洪灾害预防和小流域综合治理都急需对设计洪水过程进行推求[7- 10]，这些区域大多数位于无资料区域，为此文章结合区域内实测洪水数据，综合得到区域小流域设计洪水过程的形状系数，成果对于辽宁东部无资料小流域设计洪水过程推求具有重要的参考价值。

1 研究方法及资料选取

1.1 研究方法

对于小流域设计洪水过程线设计，在同倍比放大法基础上，对放大系数计算进行改动。主要不同之处是，同倍比放大法是用同一放大系数，放大典型洪水过程线的流量，使放大后的洪峰流量或控制时段洪量等于设计洪峰流量或设计洪量；而小流域是用设计洪峰流量Qmp、不同时刻(ti)流量与洪峰流量比例系数(Qti/Qm)推算对应时刻的设计流量，使设计后洪水过程线的洪峰流量、洪量与已计算的洪峰流量Qmp、洪量W3dp相等。在设计中引入了洪水形状系数γ，估算出不同γ下对应的λi=Qti/Qm时间序列，ti一般取整点，单位时段长度△t是ti与ti+1间隔时间，为了准确反映洪水过程线变化，△t取定值。

具体步骤包括：

(1)实测洪水过程线选取：以峰高量大、代表性好、对工程不利的原则进行洪水过程线选取；考虑到地区下垫面组成、季节变化、天气因素、洪水形成规律、洪水次数、峰量关系、洪水过程特征等。

(2)洪水过程线概化与综合：在选取的洪水过程中，割去基流，以时间为序，用过程线上的ti时刻流量Qti除以该次洪水的洪峰流量Qm即Qti/Qm，概化出单次洪水过程线。取各单次洪峰、对应时段洪量均值，综合出地区洪水过程线，确定涨洪历时、洪水总历时。

(3)推求主峰过程线形状系数：分析单次洪水过程线，主要考虑洪水三要素，即洪峰流量Qm、洪水总量W，以及洪水历时T，以此推求洪水过程线形状系数γ。

(1)

式中，Qm—洪峰流量，m3/s；W—洪水总量，104m3；T—洪水历时，h，东部T=72h。

图1 辽宁东部各站洪水过程概化结果

(4)作主峰γ～t～Qti/Qm综合关系图：用算术平均法综合各场次、单站γ以及Qti/Qm值，以ti为参数，以γ为纵坐标、Qti/Qm为横坐标建立地区γ～ti～Qti/Qm关系图，对于测站稀少地区，用各站典型洪水补充。

(5)编制主峰γ～ti～Qti/Qm专用表：为了方便使用，将各地区γ～ti～Qti/Qm综合关系图转换成专用表。

1.2 资料的选取

选择集水面积在300km2以下水文站(断面迁移视为一个站)，从水文数据库中提取2013年以前洪水数据。以洪峰流量为指标，每个水文站选取排序在前10个左右大洪水资料。洪水尽量选择峰型规整的单峰型洪水过程线。此次在6个水文站中筛选了47场洪水。各区各站所选洪水个数详见表1。

表1 洪水过程概化资料选取情况(300km2以下)

2 研究成果

2.1 东部地区洪水过程线概化

结合辽宁东部区域内6个水文站47场洪水数据，对各站点的洪水峰值比进行概化，洪水过程概化结果如图1所示。

从辽宁东部各站洪水过程概化结果可以看出，辽宁东部各站点的洪水过程历时较长，平均历时均在200h左右。这主要是因为辽宁东部的蓄满产流机制，使得区域洪水的退水过程较长。6个水文站点的洪水过程较为相似。其峰值比在1.0以下，其洪水过程从起涨开始，到出现洪峰基本在24h以内，特别是对于辽宁东部的小流域而言，虽然流域的产流机制为蓄满产流机制，但是小流域洪水的特点就是陡涨陡落，洪峰出现的时间较短。从洪水的形状可以看出，辽宁东部的洪水主要以单峰形式出现。

2.2 东部地区洪水过程线综合

在各水文站洪水过程概化的基础上，对各洪水场次进行综合，综合得到辽宁东部区域小流域的平均洪水过程以及不同峰值比的综合过程，结果见表2，如图2所示。

表2主要反映各站点的峰值比，从表中可以看出，辽宁东部峰值比在0.005～0.05之间，峰值比的变化幅度较小，综合各站点的洪水过程可以得到东部平均值，东部小流域洪水过程的总历时在52h～147h之间，通过对各小流域洪水特点分析，主要采用72h作为其平均值。从峰值比综合结果可以看出，东部平均线为各峰值比的外包线，比较符合辽宁东部小流域设计洪水的特点。

表2 洪水综合分析确定成果表

图2 东部地区洪水过程及峰值比综合结果

2.3 洪水过程线形状系数γ以及γ～t～Qt/Qm综合

结合洪水过程概化结果，对辽宁东部洪水过程的形状系数进行推求，并推求了γ～t～Qt/Qm关系，结果见表3，如图3所示。

图3为辽宁东部涨水和落水过程的γ～t～Qt/Qm综合关系线，结合此综合关系线，可以推求不同峰值比下的形状系数，结合形状系数即可推求无资料地区的设计洪水过程，从图3可以看出，各峰值比下的综合关系线和散点的吻合度较高，表明该关系线的合理性较高。从表3中可看出，各站点的形状系数的均值不同，辽宁东部小流域洪水过程的形状系数总体在0.11～0.26之间。