大庆地区肇兰新河设计流量简化算法

王青梅，吴明官

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

0 前 言

近几年来，大庆地区东部肇兰新河流域连续发生了大洪水，特别是2017年青肯泡蓄滞洪区上游任民镇和王家烧锅雨量站，最大30d降水量分别为625.6mm、431.2mm。大庆地区东部多年平均年降水量仅约450mm，比本地区的多年平均年降水量大，迄今为止，2017年最大30d降水量为1917年以来最大值，重现期约104a，因此，该流域发生了相当于100a不遇的稀遇洪水。

从本次洪水调查成果中可知，1998年之后，肇兰新河流域发生大洪水的年份有2013年、2017年、2018年、2019年和2020年。由于该流域近几年连续发生大洪水的缘故，过去采用的青肯泡蓄滞洪区最大30d洪量径流深统计参数，即均值12.5mm明显偏小，直接影响肇兰新河综合治理工程的设计流量。因此，本次在已有成果的基础上，增加近几年洪水还原成果后，全面分析了青肯泡蓄滞洪区最大30d洪量径流深统计参数，结果均值15.5mm明显>过去采用的成果(12.5mm)，比原成果大24%[1-2]。

1 青肯泡蓄滞洪区

青肯泡位于肇东、安达两市交界处，滨州铁路曹家车站北侧，为自然水泡子，泡底宽平，北坡较陡，形成天然有利的蓄滞洪区，承接东湖水库泄水，东北部有吉星岗、幸福两排干汇入，总控制面积2524km2，占全流域面积的50%；集水面积2366km2，最大库区面积141.6km2。

青肯泡蓄滞洪区按50a一遇洪水设计，100a一遇洪水校核。设计洪水位144.86m，设计总库容1.61亿m3；校核洪水位145.12m，校核总库容1.917亿m3。青肯泡大坝长7100m，坝顶高程146.90m，最大坝高3.57m，迎水坡比1:4，背水坡比1:3，坝顶宽度5m，上下游均为草皮护坡。

泄洪闸位于主坝中部，堰型为宽顶堰，闸底高程142.5m，共有6孔，单孔净宽2m，最大泄流量76m3/s。原建时间1966年10月，1999年夏季对泄洪闸进行过整修加固。

1983年大庆乙烯厂明渠排污工程，确定了采用东线明排方案，借用肇兰新河进行污水排放，故修建了污水库。污水库是原青肯泡蓄滞洪区的一部分，在青肯泡南部修建隔堤工程(隔坝长8.6km，坝顶宽4m)，将蓄滞洪区分为南、北两部分。隔坝以南为污水库，库面积为25km2，总库容2420万m3，以备冬季储存大庆石油石化、乙烯厂工业废水，经净化后翌年汛期排出，年排污总天数约133d，排污流量为5-10 m3/s。

2 最大30d洪量径流深

由于本地区缺乏径流资料，所以采用1966年各泡子洪水调查资料为基础，加入1987年、1988年、1998年等青肯泡蓄滞洪区还原资料，并用径流深进行频率分析，适线结果得出青肯泡蓄滞洪区一次洪量径流深均值为12.5mm，变差系数Cv=1.5，偏态系数Cs=2.0Cv。

在过去还原成果的基础上，本次再考虑2013年和2017-2020年青肯泡蓄滞洪区还原资料，其中：2013年和2018年、2019年和2020年，根据实测库水位和泄流量资料还原30d洪量；2017年在幸福排干末端左侧发生溃堤，大部分洪水绕过青肯泡蓄滞洪区直接流入肇兰新河，故本次依据大庆防洪管理处提供的视频影像资料和文字材料，绘制洪泛区范围后，初估淹没水深，并还原相应的洪水总量，最终估算2017年30d洪量径流深为102mm(可能偏小)。

本次采用的最大30d洪量径流深均值为15.5mm，变差系数Cv=1.65，偏态系数Cs/Cv=1.1。

从青肯泡蓄滞洪区30d径流深频率曲线图中可以看出，安肇新河北二十里泡点据和肇兰新河青肯泡蓄滞洪区点据，明显分为2条曲线，故本次不能再把2条线合并为一条线处理。

因此，今后建议大庆地区最大30d洪量径流深将划分为3个分区，即东部地区(青肯泡蓄滞洪区)肇兰新河流域，最大30d洪量径流深均值为15.5mm，变差系数Cv=1.65，偏态系数Cs/Cv=1.1；中部地区(北二十里泡等)安肇新河流域，最大30d洪量径流深均值为11.5mm，变差系数Cv=1.65，偏态系数Cs/Cv=2；西部地区最大30d洪量径流深均值为0.7×11.5mm=8.05mm，变差系数Cv=1.65，偏态系数Cs/Cv=2。

3 肇兰新河平原区设计流量

从黑龙江省水文图集最大流量参数Cp等值线图中，可以看出，肇兰新河平原区应Cp<1.5,如：军马场排干、宝龙庄排干、兰西县肇兰新河上游段Cp值均>2.0或接近于2.0，从定性上，Cp值偏大较多，不合理；宣化排干汇入口断面Cp值偏小较多，也不合理。

从三江平原地区P=5%平原区排水流量参数Cp的经验值来看，治理前Cp≈0.55，治理后Cp≈2.21。也就是说，平原区内排水工程的配套程度越高，Cp值会越大，反之，平原区内排水工程的配套程度越低，Cp值会越小。

除了宣化排干汇入口断面20a一遇洪峰流量外，其它控制断面20a一遇洪峰流量，1989年采用成果最大，2010年成果最小，本次成果次小。由于2010年成果和本次成果为采用简化公式1(概化过程线法)计算的时段洪峰流量，所以<1989年采用成果，定性上合理，若考虑瞬时洪峰流量与时段洪峰流量比值后，则2010年成果和本次成果更接近于1989年采用成果。

4 工程地点设计洪水

除了军马场排干、宝龙庄排干、兰西县肇兰新河上游段断面的平原区面积所占比例较小外，其它断面的平原区面积所占比例均≥70%。因此，迄今为止，历次工作中采用的P=5%最大流量参数Cp≈1.0，符合松嫩低平原区洪水参数Cp值分布规律，故较合理。

一般情况下，设计排水区内的山丘区位于上游，平原区位于下游，坡水往往通过平原区的过程中洪水波不断地坦化，因此，坡水流量应该考虑洪水波展平因素，即山丘区洪水的洪峰流量应该考虑折减系数(坦化后的洪峰流量与最大流量的比值B≤1)后，组合计算加权平均排水流量。

洪水波坦化的折减系数B，定性上说，山丘区汇水面积越大，折减系数会越小，反之，山丘区汇水面积越小，折减系数会越大；排水区的形状越接近于正方形或扇形，折减系数会越大；排水区的形状越接近于狭长形的长方形，即长宽比越大的长方形，折减系数会越小；平原区内排水工程的配套程度越高，折减系数会越大，反之，平原区内排水工程的配套程度越低，折减系数会越小[3-4]。

5 设计洪水组合

大庆地区设计洪水由坡地洪水和平原区排水同频率组合而成，故在设计区域和设计标准确定的情况下，坡地洪水和平原区排水同频率组合后的设计洪水往往大于所确定的设计标准。

一般的排水区而言，单纯的平原区或山丘区的情况并不多，大多数情况是设计排水区内，既有平原区和山丘区，又有城区等，故不同类型的设计流量需要进行组合。

设计排水区内的不同类型排水分区，采用不同的方法，单独计算排水流量后，直接相加的流量作为整个排水区的设计流量，这种方法的基本假定是各排水分区内的洪水传播时间较短，可以忽略不计，故该组合方法只适用于集水面积较小的情况。这种方法是目前大家最常用的方法，主要优点是简单易用，计算工作量小，便于推广应用；主要缺点是应用范围小，组合的设计流量偏大(峰对峰相加的缘故)，组合后的设计频率不宜确认是否满足规范要求。

5.1 组合公式

经过分析大庆地区明青坡地洪水和青肯泡蓄滞洪区设计洪水后，下面具体研究如何推求肇兰新河各控制断面的设计流量问题：

Qmp=Q坡P+Q平=Q平P+Q坡，F坡+F平=F

(1)

式中：Qmp为肇兰新河各控制断面的设计流量，m3/s，Q坡P、Q坡分别为设计坡水流量、相应坡水流量，m3/s；Q平P、Q平分别为平原区设计流量、相应排水流量，m3/s；F平、F坡、F分别为平原区面积、山丘区面积、集水面积，km2。

当F平/F≥50%或Q平P/(Q坡P+Q平P) ≥50%时，采用Qmp=Q平P+Q坡公式计算组合流量Qmp；当F坡/F>50%或Q坡P/(Q坡P+Q平P) >50%时，采用Qmp=Q坡P+Q平公式计算组合流量Qmp。

5.2 简化方法

在实际工作中，Q坡P和Q平P比较容易计算，而推求相应流量Q坡和Q平问题比较复杂。因此，下面重点研究如何简化处理上述的组合公式问题：

Qmp=K3(K1Q坡P+K2Q平P)=K3K1Q坡P+K3K2Q平P

(2)

式中：K1为坡水洪峰流量展平系数≤1；K2为瞬时洪峰流量与时段洪峰流量比值≥1；K3为坡水和平原区两个均为主洪水修正系数≤1；Q平P为平原区设计时段洪峰流量，m3/s，由于K2与K3的乘积K3K2≈1，故把上式简化为如下的计算公式：

Qmp=K3K1Q坡P+Q平P

(3)

式中：K3和K1乘积K，在不同山丘区和平原区组合情况下，准确的确定K值很难，因此，特提出如下的进一步简化的计算公式。

1)简化公式1：QmP=0.0598×Rp×F0.47，Rp=Kp×R0。由于该公式计算的设计流量为时段洪峰流量，故当平原区面积所占比例较大时，可以近似地作为瞬时设计洪峰流量，否则在此基础上应该再考虑>1的瞬时洪峰流量和时段洪峰流量的转换系数K2≥1。

式中：QmP为设计洪峰流量，m3/s；Rp为设计径流深，mm；0.0598为单位换算系数，0.47为面积指数，F=F坡+F平为总集水面积，km2。

式中：n为面积指数，初步分析结果，普遍而言(绝大多数)，随着F坡/F比值增大，n值也有增大的趋势，但不是十分敏感。F平为平原区集水面积，km2；F坡为山丘区流域面积，km2，其它符号同上。

依据山丘区面积所占比例与面积指数的大多数点群中心确定的回归直线方程为n=0.7011(F坡/F)+0.4371，0.15≤F坡/F≤0.5。当F坡/F<0.15时，最好不要采用简化公式2，而建议采用简化公式1。当F坡/F>0.5时，最好采用简化公式2，面积指数n≥0.8，具体确定n值时一定要慎重。

6 复核结论

宣化排干汇入口断面设计流量(20a一遇洪水标准)，原成果明显偏小，比5a一遇排水模数计算成果还小，明显不合理；宝龙庄排干口断面(F=1620km2)设计流量，原成果明显偏大，比靠山排干汇入口断面(F=1983km2)还大，也明显不合理；兰西肇兰新河断面设计流量，原成果偏大是合理的，故建议采用简化公式2计算设计流量，除此之外，其它控制断面的设计流量，建议均采用简化公式1成果为盼。

采用本次简化公式1计算的P=5%设计流量，肇兰新河宝龙庄排干口断面(F=1620km2)以上的设计流量，原成果偏小10%-20%；宝龙庄排干口断面以下至呼兰河口(F=2686km2)的设计流量，原成果偏小5%；军马场排干和宝龙庄排干的设计流量，原成果偏小3%左右；兰西肇兰新河断面设计流量，原成果偏大28.2%，因为该断面以上山丘区面积占总集水面积的比例较大(70%)，故不能采用简化公式1(主要适用于平原区面积占总集水面积的比例较大的情况)计算成果，而采用简化公式2计算成果即可。

7 分析与讨论

近几年来，大庆地区连续发生大洪水的缘故，迄今为止，该地区采用的设计洪水成果，受到了较大的非议，而且该成果直接涉及到整个大庆地区防洪工程体系的规模问题，非同小可。因此，特提出如下的个人见解，只起到抛砖引玉的作用，供大家广泛讨论。

7.1 明青坡地洪水

1966年安达闭流区规划时，对大青冈、五福堂、三排二、刘大让共四大碱沟及肇东以东两条自然沟进行了洪水调查，主要调查1932年、1945年洪水。1988年春，对明青坡地又进行了洪水调查，主要调查1987年洪水。1988年冬，对明青坡地再次进行了洪水调查，主要调查1988年洪水(冬季仍有部分洪水存留)，因此，难以进行调查工作，故只收集了大青岗碱沟上的187及友爱站实测洪峰流量成果。(备注：1988年187、友爱站因上游先锋等两个小水库溃坝，造成洪峰流量偏大，其影响对187点较大，友爱站较小。)

7.1.1 1989年成果

1989年《大庆地区近期防洪工程初步设计水文分析和计算成果》中，根据1932年、1945年、1987年点据确定综合线成果如下：

Qm=Kp/K0×C0×F0.67= 0.4808Kp×F0.67=CF0.67，K0=6.032，C0=2.9，Cv=2.1(借用双阳水文站成果)，Cs/Cv=2.25。

式中：Qm为设计洪峰流量，m3/s；0.67为面积指数；Kp为最大流量模比系数；K0为P=3.43%相应的模比系数；C0为P=2.5/72=3.43%(复核结果为3.47%)相应的最大流量系数；Cv为变差系数；Cs为偏态系数；F为集水面积，km2。

7.1.2 2000年成果

2000年大庆地区防洪工程可行性研究中，在以往洪水调查成果的基础上，加入1998年洪水点据后，并根据1987年、1945年点据确定综合线。1998年洪水略小于1988年洪水，1988年洪水为1917年以来的第1位，1998年为第2位，历史洪水的重现期为82年。1987年和1945年洪水为同级，为82年以来的3.5位，故经验频率P=3.5/(82+1)=4.22%。

因此，明青坡地洪水地区综合公式：Qm=2.4F0.67(P=4.22%)，根据双阳水文站设计洪峰流量统计参数成果(Cv=1.87，Cs/Cv=2.25)，将P=4.22%相应的Qmp=2.4F0.67公式转换为P=2%相应的Qmp=3.433F0.67，并与1989年成果(Qmp=3.07F0.67)比较，设计值较接近，故2000年可研中采用了1989年设计洪水成果。

7.1.3 2010年成果

2010年大庆地区防洪工程(一期工程)初步设计报告中，根据明青坡地洪水调查成果点绘的Qm-F关系图(有1932年、1945年、1961年、1987年、1988年、1998年的洪峰流量点据26个)，在以往洪水调查成果的基础上，加入1998年洪水点据后，并根据1987年、1945年点据确定综合线。

1998年洪水略小于1988年洪水，1988年洪水为1917年以来的第一位，1998年为第二位，历史洪水的重现期为92年。1987年和1945年洪水为同级，为92年以来的3.5位，故经验频率P=3.5/(92+1)=3.76%。因此，明青坡地洪水地区综合公式：Qm=2.04F0.67(P=3.76%)，根据双阳水文站设计洪峰流量统计参数成果(Cv=1.87，Cs/Cv=2.25)，将P=3.76%相应的Qmp=2.04F0.67公式转换为P=2%相应的Qmp=2.746F0.67，并与1989年成果(Qmp=3.07F0.67)比较，设计值很接近，故2010年初设中仍采用了1989年设计洪水成果。

7.1.4 历次成果分析

从历次双阳水文站设计洪水成果中可以看出，本次友爱站设计洪水转换的成果最大(Cp=3.84)，其次为本次复核成果(Cp=2.314)，再次为2000年成果(Cp=2.184)，最小为2010年成果(Cp=1.746)，次小为1989年采用成果(2000年和2010年最终也采用该成果Cp=1.86)。迄今为止，大庆地区明青坡地设计洪水采用成果就是1989年成果，P=5%相应的Cp=1.86，从黑龙江省水文图集最大流量参数Cp等值线图上看，该区域应Cp<2.0，故采用成果符合地区分布规律。

7.1.5 明青坡地设计洪水复核

从青肯泡蓄滞洪区上游任民镇和王家烧锅雨量站1980-2020年共41a30d降水量统计成果中可以看出， 30d降水量超过300mm的年份，任民镇站有1998年、2003年、2017年、2018年、2019年和2020年，王家烧锅站有1998年、2009年、2012年、2017年、2018年、2019年和2020年。因此，为了确保大庆地区的防洪安全，在过去明青坡地历史洪水调查成果的基础上，本次又进行了1998年、2003年、2009年、2012年、2017-2020年洪水调查工作，并对明青坡地设计洪水采用成果进行了复核。

7.1.6 明青坡地洪水综合分析

从本次复核成果和水文图集最大流量参数Cp等值线图中可以看出，工程地点若在双阳河流域，则可以采用双阳河水库可研或初设成果(或2020年成果)，否则在明青坡地就建议采用其它成果即可。从水文图集最大流量参数Cp等值线图中可以看出，明青坡地最大流量参数1≤Cp≤2，双阳河流域最大流量参数2≤Cp≤3。

本次复核成果1是在2010年成果(没有考虑近几年洪水调查点据)的基础上，只是调整了重现期N=104a，经验频率Px=3.5/105=3.33%。本次复核成果2是在2010年成果的基础上，考虑近几年洪水调查点据后，根据点群中心确定地区综合线，综合公式为Qp=2F0.714，相应频率P=4.87%(20.53a一遇)，非常接近于P=5%(20a一遇洪水标准)。该成果对双阳水文站而言，综合公式计算成果436 m3/s，非常接近于本次双阳水文站洪水系列延长至2020a后，20a一遇洪峰流量频率计算成果430 m3/s。这正说明明青坡地调查洪水的地区综合成果与双阳水文站设计洪水成果符合性很好，但具体应用到明青坡地设计洪水成果偏大，因此，仍建议采用1989年原成果。

7.2 平原区设计洪水

7.2.1 1989年采用成果

1989年《大庆地区近期防洪工程初步设计水文分析和计算成果》中，大庆地区平原排水采用的地区综合公式为：

Qm=1.1F0.66(P=1.37%)，Qp=0.91F0.66(P=2%)，变差系数Cv=2.1，Cs/Cv=2.25。

7.2.2 简化算法

QmP=(1+F坡/F)m×Q平P，当F坡=0时，QmP=Q平P。或QmP= (1+F坡/F平)0.47×Q平P，当F坡>F平时，有时误差会较大，故这时不易采用。

当F坡/F<0.15时，QmP≈Q平P；当0.15≤F坡/F≤0.5 时，m=0.7011(F坡/F)+0.4371；当F坡/F>0.5时，m≥0.8，具体确定面积指数m值时一定要慎重。

式中：QmP、Q平P为分别为总设计流量、平原区设计洪峰流量，m3/s；Rp为设计30d径流深，mm；0.0598为单位换算系数，0.47为面积指数；F坡、F平、F为分别为山丘区、平原区和控制断面的集水面积，km2。

7.3 设计洪水成果

1989年肇兰新河平原区按上述的地区综合公式计算设计洪峰流量(P=5%)结果，除了宣化排干汇入口断面之外，其它均>1989年肇兰新河工程地点设计洪峰流量(P=5%)采用成果，这说明该地区综合公式的计算成果不合理。本次采用简化公式计算的肇兰新河工程地点设计洪峰流量(P=5%)成果，除了兰西肇兰新河成果之外，其它成果均合理，可以放心采用简化算法成果。

8 结 语

经过上述综合分析后可知,单纯1989年成果而言，采用Qp=3.814F0.67(P=2%)和Qp=3.07F0.67(P=2%)相对误差为24.2%，P=5%最大流量参数Cp值分别为2.31和1.86，并综合考虑洪水波展平、坡水和平原排水同频率组合等因素后，从黑龙江省水文图集P=5%最大流量参数Cp值等值线图中，可以看出，明青坡地P=5%最大流量参数Cp值应<2.0，否则不合理。因此，迄今为止，历次设计成果中均采用1989年综合公式：Qp=3.07F0.67(P=2%)绝不是偶然的，而是权衡各种利弊之后的必然结果。

另外，肇兰新河流域设计流量简化算法，实际上是以青肯泡蓄滞洪区设计最大30d洪量径流深成果作为基础模型，采用大庆地区概化过程线方法，推求不同的山丘区和平原区组合洪水成果。经过实际检验结果，证明该简化算法适用于山丘区面积占总集水面积的比值(F坡/F)≤50%情况，换言之，平原区面积占总集水面积的比值(F平/F)≥50%情况，若(F坡/F)>50%或(F平/F)<50%，则为了慎重起见，建议大家采用多种方法综合比较后，合理选用为好。