辽宁省小流域设计洪峰及洪量径流系数的确定

2022-01-26王莉

水利技术监督 2022年1期

王莉

(辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，辽宁沈阳 110003)

对于小流域而言，一般采用推理公式进行设计洪水计算，这其中涉及到设计洪峰和洪量的计算，由于大多小流域都处于无资料地区，很难采用实测数据进行设计洪峰和洪量的计算[1]。国内对与小流域设计洪水一般采用两种方法，第一种方法是通过水文模型进行洪峰和洪量的计算，以不同频率设计暴雨量作为模型输入推求场次洪水过程，模型计算的洪峰和场次洪量即为其设计洪峰和洪量值，这种方式在模型的应用过程中需要进行参数移植，且由于缺少实测数据进行模型参数率定其计算精度很难得到有效控制，这种方式在国内一些区域得到应用[2-7]，尤其是在构建中小河流预报方案中应用较多。第二种方法为结合区域实测洪水数据，通过建立洪量径流系数—洪峰径流系数关系曲线，基于雨洪同频假设条件，利用区域设计暴雨资料来推求其设计洪量径流系数，再基于洪量径流系数—洪峰径流系数关系曲线，对其设计洪峰径流系数进行计算，这种方式由于基于实测数据，一般推求的设计洪峰和洪量值和实际情况较为吻合[8]，这种方式在许多地区相比于水文模型而言，应用较多[9-15]。辽宁地区在1998年针对小流域设计洪峰和洪量进行过计算，但由于变化环境的影响，其设计洪峰和洪量都受到不同程度的影响，亟需要对其小流域洪量径流系数—洪峰径流系数关系曲线进行修正，为此本文结合辽宁地区63个流域面积小于1000km2的水文站点，依据峰型较好、峰值较大挑选900场实测洪水数据，建立辽宁省不同水文分区洪量径流系数)—洪峰径流系数关系曲线，基于雨洪同频假定条件，结合设计暴雨数据对区域设计洪量径流系数αP进行确定，研究成果对于辽宁省无资料小流域设计洪水计算具有重要的参考价值。

1 基本资料

根据水文站的建站时间、位置、代表性，以及水文站数据资料的可靠性、代表性、准确性、一致性等特征，在各水文分区(如图1所示)按照流域面积小于10000km2且流域内无控制水利工程，选择典型水文代表站，作为分析对象，共选择63个代表站，并依据峰型较好、峰值较大挑选900场实测洪水数据进行分析，站点信息及分布情况见表1和如图2所示。

图1 辽宁省水文分区

2 研究方法

2.1 设计洪峰计算

采用小流域推理公式辽宁法[16]对小流域洪峰流量进行计算，计算公式为：

(1)

式中，Qm—洪峰流量，m3/s；φ—洪峰径流系数；τ—汇流时间，h；Pτ—τ时段内最大降雨量，mm；F—汇水面积，km2。在式(1)的基础上对设计洪峰流量进行计算，其计算公式为：

Qm=0.278φpipF (2)

(续表)

其中：

(3)

式中，Qp—设计洪峰流量，m3/s；φp—设计洪峰径流系数；ip—汇流时间τ时段内的设计面降雨强度，mm/h；Pτp面—计算频率下τ时段内的设计面暴雨，mm。从中可以看出，小流域设计洪峰主要和设计洪峰径流系数以及设计雨强有关，设计雨强主要和流域汇流历时和汇流历时内的设计面暴雨量相关。

2.2 设计洪量计算

设计洪量一般结合实测洪水数据采用统计学方法进行计算，但对于小流域而言，其径流资料数据较为缺乏，很难采用实测洪水数据进行设计洪量的计算。因此一般基于雨洪同频的基本假定条件通过设计暴雨结合径流系数法来进行设计洪量的计算。基本设计洪量计算公式为：

Wp=0.1apPp面F

(4)

式中，Wp—设计洪量，m3；ap—设计洪量径流系数；Pp面—设计面雨量，mm；F—汇水面积，km2。时段洪量计算公式分别为：

(5)

(6)

W24hp=W3dp-W3d-24hp

(7)

(8)

式中，Pc—场次降雨量，mm；hc—场次降雨对应的径流深，mm。在部分产流条件下，其计算公式：

(9)

式中，Pt—产流面积上对应的一次降雨量，mm；ht—产流面积上一次降雨对应的径流深，mm。

3 研究成果

3.1 α—φ关系曲线建立

在辽宁省选取流域内无水利工程控制且汇水面积低于1000km2，降雨径流相关性较好的63个水文站点作为研究站点，在选取的水文站点中按照洪水总量及洪峰较大，洪水过程较为单一选取900场洪水进行各场次洪水的α、φ值计算，按照各水文站所在的水文分区将计算的各站点α、φ值以α为横坐标、φ为纵坐标，绘制α—φ关系线，结果如图2所示。

图2 辽宁省各水文分区径流系数α—φ综合关系图

用实测资料分析α和φ变幅较大，主要受自然地理特性、降雨变化、产流和前期影响降雨量等多方面的因素影响。辽宁省中部平原区、东部湿润山区降雨频繁、植被较好，属于饱和产流区，汇流速度慢，洪水过程矮胖，河槽调蓄能力强，与其它分区α—φ关系线比较离45°直线最近。西部干旱丘陵山区降雨稀少，植被差，属非饱和产流区，汇流速度快，洪水过程尖瘦，河槽调蓄能力差，α相同时，对应的φ值大于饱和产流区。辽东半岛湿润丘陵区、西部半干旱丘陵区从产汇流和植被条件综合考虑介于饱和与非饱和之间，故α—φ关系线也介于两者之间。

3.2 不同频率下α3dp、α3d-24hp推算

3.2.1α3d、α3d-24h的计算

每个水文分区选择若干个典型水文代表站，利用历年雨量站降水资料采用算数平均法，滑动计算各水文代表站集水区历年最大3d和同场次最大24h时段面雨量，形成时间序列，并对时间序列进行频率计算分析，得到各频率的P3dmax和P(3d-24h)max；利用中等流域各水文代表站降水的前期影响雨量(Pa)和各水文分区已有降雨—径流关系，根据各水文代表站不同频率的P+Pa值，得出各水文代表站相应频率的径流深(R)，利用这两个量比值推求同频率下径流系数。计算时用到的降雨—径流关系是场次关系，设计时段洪量W3dp、W3d-24hp、W24hp推算时，需要对α场次p进行修正后得到3d、3d-24h的径流修正系数α3d、α3d-24h，并进行地区综合；

3.2.2α3dp、α3d-24hp的确定

从水文分区中，选用流域控制面积600km2以下水文站进行α3dp分析。水文代表站选定：根据水文站的建站时间、位置、代表性，以及水文站数据资料的可靠性、代表性、准确性、一致性等特征，在各水文分区选择典型水文代表站，作为分析对象，共选择48个代表站。同时，挑选每个水文代表站控制范围内雨量站，共计197个。场次洪水用场次洪水分析72h洪量与场次洪量比例关系。从代表水文站挑选峰大、量大洪水643场。计算场次洪水的洪量，滑动计算最大72h洪量。降雨系列用水文代表站控制范围内雨量站年最大3日雨量(P3dmax)资料，采用算术平均法计算面雨量，推算历年最大3d面雨量系列。各水文分区α3dp、α3d-24hp计算结果见表2。

表2 辽宁省各水文分区不同频率下的洪量径流系数

(续表)

从辽宁省各水文分区α3dp、α3d-24hp计算结果可看出，Ⅲ1～Ⅲ4区不同频率下的洪量径流系数要高于其他水文分区，Ⅲ1～Ⅲ4区主要位于辽宁的丹东和本溪地区，属于辽宁省的暴雨中心，区域多年平均降雨量在1200mm左右，山区较多，因此其不同频率下的洪量径流系数也相对高于其他水文分区。Ⅱ区不同频率下的洪量径流系数均小于其他水文分区，Ⅱ区主要位于辽宁的彰武地区，区域少雨干旱，年平均降水量在500mm左右，因此其不同频率下的洪量径流系数要低于其他水文分区。从不同频率径流系数空间总体分布来看，从东南向西北逐步递减变化。

3.3 不同频率洪峰径流系数推算

根据各水文分区设计洪量径流系数αP，通过α—φ综合关系图，推算各水文分区设计洪峰径流系数φ，见表3。

表3 辽宁省各水文分区设计洪峰径流系数φ成果表

从辽宁省各水文分区设计洪峰径流系数φ成果表可看出，不同频率下各水文分区洪峰径流系数总体在0.29～0.91之间，随着频率的增加，其设计洪量径流系数逐步降低，从不同频率洪峰径流系数空间分布特征可看出，其和洪量径流系数分布具有一定的相似性，设计洪峰径流系数从东南向西北逐步递减，东部本溪和丹东地区不同频率设计洪量径流系数相比于其他水文分区要高，彰武县所在的Ⅱ区不同频率下洪峰径流系数相比于其他水文分区要低，这主要是因为各水文分区不同频率下的设计洪峰径流系数主要是根据各水文分区设计洪量径流系数αP，通过α—φ综合关系计算得到的，因此和不同频率的洪量径流系数均有较高的关联度。