超标洪水水位流量关系线拟定方法

张静芳，翟俊峰，张炜，张涛

(1.呼和浩特水文勘测局，内蒙古 呼和浩特 010010;2.内蒙古水文总局，内蒙古 呼和浩特 010010)

1 基本情况

呼和浩特市辖区承担报汛任务的国家基本水文站有美岱(大二)、三两(三)、二道边等10处水文站。在分析水文测站现状测报能力和防洪需求的基础上，结合拟定的超标洪水水位流量关系线，以水位或流量为主要衡量指标，划分超标洪水的不同量级，确定具体的水位或流量节点，制定相应的测报方案，以使汛期水文测站超标洪水测报有序开展。

2 水位流量关系线拟定

2.1 多年综合线法

2.1.1 资料的选用

近几年属平水年份，多数测站没有发生超标洪水。因此，水位流量关系线绘制，中低水部分，采用2016—2020年实测流量成果表数据拟合，中高水部分，参照现断面历年大水年份实测流量成果表数据分析并绘制多年综合线。除二道边水文站资料系列为15 a外，其余测站资料系列至少20 a，满足多年综合关系线绘制要求。

2.1.2 资料的分析

经对现状断面2016—2020年和历年大水年份实测流量成果表中汛期数据整理，绘制水位～流量关系图、水位～面积关系图、水位～平均流速关系图、水位～最大流速关系图、水位～平均水深关系图、水位～最大水深关系图、平均水深～平均流速关系图，以便更好把控现状断面基础上的中高水部分水位流量关系线的走向，特别是在现状断面水位～面积关系线固定的前提下，中高水的水位～平均流速关系需符合测站特性且相比历年大水数据需控制在合理范围内，以便提高中高水水位～流量关系多年综合线的定线精度。

2.1.3 多年综合线绘制

在对历年实测流量成果表汛期数据分析的基础上，结合现状测站特性拟绘水位流量关系线，并把中高水历年大水数据还原至现状断面，点绘在拟绘的关系线上，进一步分析拟绘关系线的合理性。特别是通过高水部分的流量面积比与历年大水的平均流速相比较，趋势需一致，以便使中高水部分的关系线符合测站特性，多年综合线应用于超标洪水测报时，精度可靠。

2.2 曼宁公式法

2.2.1 资料的选用

曼宁公式法也称比降面积法，按照《水工建筑物与堰槽测流规范》要求，在流速仪法等测流方法测验有困难时，比降面积法作为特殊情况下的测验方法时，可根据测站实测资料分析的糙率曲线查用糙率；如果较高水位以上无实测资料分析的糙率曲线时，可结合岸壁组成、植物生长情况、下游控制以及河段其他特性等选取糙率值，延长幅度不宜超过20%。

资料的选用是在多年综合线法收集资料的基础上，整理历年实测流量成果表中的糙率和水面比降数据，进行整理分析。

2.2.2 糙率数据分析及关系线绘制

经对测站历年实测流量成果表中的水面比降和糙率进行整理发现，近10年内的资料很少，多数为2000年以前的数据，甚至是二十世纪五六十年代数据。虽测站断面现状因断面整治、河床冲淤变化、断面地物等有一定的变化，但是对于超标洪水测报来说，采用曼宁公式法拟定水位流量关系线，还是有一定的参考价值。

经对测站平均水深与糙率关系曲线分析，多数点据不集中，但基于预案是以编制超标洪水为主，可采取对测站历年实测流量大小从大到小排序，选取实测流量在5年一遇及以上超标洪水的糙率和水面比降均值作为现状断面的超标洪水的糙率和水面比降，采用曼宁公式来推理水位流量关系线，以便对多年综合线法绘制的关系线进行合理性验证。

经对测站现状实测大断面整理，生成分级水位面积关系表，结合历年5年一遇及以上超标洪水糙率和水面比降均值，采用曼宁公式计算水位对应流量并绘制水位流量关系线。

2.3 实测年最大流量频率分析法

选取测站建站至2020年年最大实测流量成果数据，采用PⅢ频率分析软件，计算出2年、5年、10年、20年、50年、100年一遇6种频率相应流量。在曼宁公式法计算得出的水位流量关系线基础上，通过同流量反查相应水位，形成不同频率水位对应的流量，点绘水位流量关系线。

2.4 单参数地区综合法

在同一水文分区内，影响洪水的主要因素是流域的集水面积。单参数地区综合法为分析分区内测站多年平均洪峰流量及CV值与流域集水面积的关系。以洪水分区为单元，采集同一分区内根据实测流量资料和历史调查洪水推算的单站洪水设计成果及本区已建工程的设计成果，建立各分区的多年平均洪峰流量均值QM和相应的变差系数CV值的地区经验公式。绘制确定各区洪水经验公式的参数C值和流域面积指数N。

经查《内蒙古自治区水文手册》(以下简称《手册》)附图十八，红山口、陈梨夭水文站属V8分区，即大青山、蛮汉山石质山区；哈拉沁、清水河、店上村、卓资山、旗下营等水文站属V9分区，即大青山、蛮汉山土石山区。按照设计洪水计算分区分类，呼和浩特市所辖红山口(三)、陈梨夭(二)2处水文站属V8分区；美岱(大二)、哈拉沁(二)、坝口子、店上村(三)、清水河5处水文站属V9分区。

经查《手册》中相关参数并计算得出不同频率洪峰流量。采用曼宁公式，建立流量、糙率、比降、断面面积、水力半径的等式关系，反查现状断面的水位，建立水位流量关系线。

2.5 多参数地区综合法

洪峰流量与暴雨特性及流域特征有关，如仅用单一面积的单参数地区综合公式推求洪水，有时误差较大。因此，可建立流域平均24H面雨量(H24)、主河道平均比降(J)及流域形状系数(F)等参数与洪峰流量的相关关系，制定多参数地区经验公式。

2.6 多年综合线拟定

在以多年综合线法绘制的水位流量关系线基础上，进一步采用曼宁公式法、实测年最大流量频率分析法、单参数地区综合法、多参数地区综合法拟合水位流量关系线，以进一步综合研判并提高水位流量关系线的拟合精度。在现状基本断面水位面积分级表的基础上，通过水位～流量/面积/平均流速三种关系线，进一步精细拟合多年综合线，形成水位～流量/面积/平均流速三种关系线，以应用于测站超标洪水测报预案及汛期超标洪水的报汛。

2.7 合理性分析

在多年综合线法、曼宁公式法、实测年最大流量频率分析法、单参数地区综合法和多参数地区综合法拟定的水位～流量/面积/平均流速多年综合线基础上，选取与现状断面较接近的历年有代表性的实测超标洪水场次，在拟合多年综合线的基础上点绘中高水部分的流量/面积/平均流速，点群比较集中；中高水部分同流量平均流速与测站历年大水平均流速较为接近，关系线趋势一致；不同频率的洪峰流量与集水面积关系线拟合较好。因此，拟合的多年综合线符合测站特性，较为合理。

3 存在问题及建议

3.1 存在问题

①在多参数地区综合法计算中，《手册》采用的是1956—2005年长系列水文资料，虽满足规范要求的30 a及以上水文资料系列，具有较好的代表性，但历年基本断面以上水利工程及生态环境等因素与现状存在一定的差异。②因暴雨多为局部发生，雨量点布设较稀，分布不均，自记雨量站资料更少，《手册》中的H24小时等值线图只能粗略地反映大范围的暴雨分布趋势，不能反映局部地形的影响，控制不住局部暴雨。因此，采用多参数地区综合法计算，在H24降水均值数据选取时，基本断面以上流域面积越小，精度相对较差。③三两(三)和西二道河水文站地形属平原区，挡阳桥水文站因受上游水利工程等因素影响，通过经验公式计算所得流量与实际偏差较大。

3.2 建议

①曼宁公式法计算过程中，需有现状断面的糙率和水面比降数据，历年实测流量成果糙率和水面比降数据多为2000年以前数据，甚至是二十世纪五六十年代数据，水位糙率关系点群不集中，在测验过程中需进一步收集现状断面的糙率和水面比降数据，以提高水位流量关系线拟合精度，更加符合测站特性。②因断面整治、冲淤变化、断面地物以及基本断面以上水利工程、生态环境等多种因素影响，拟合的多年综合关系线还需在实际应用中进一步通过实测水位流量数据纠正。③《手册》中单参数地区综合法公式方法简单，使用方便，但较难反映特殊流域上的各种特性及影响因素；如设计流域的流域形状和河道比降接近于同一洪水分区代表站的特性时可采用单参数经验公式计算。如设计流域内的坡度特别陡(或缓)，或流域形状特殊时(形状呈扇形时)，需考虑用多参数地区综合公式法计算。