白龙江流域洪水频率分析

2023-10-13董成海王巧娟

地下水 2023年5期

董成海,王巧娟

(甘肃省陇南水文站,甘肃成县 742500)

近10 a来白龙江流域内暴雨洪水频发,尤其2018年、2020年流域内发生大暴雨,许多河流发生了大级别的洪水过程,部分站点监测到建站以来最大洪峰流量。随着白龙江流域水文特征的不断演变,非常有必要对流域内洪水频率进行计算分析。本文利用白龙江布设的10个国家基本水文站监测数据和水文部门洪水调查数据,采用P-Ⅲ型曲线计算分析流域内不同河流不同河段的洪水频率,分析Cv及Cv/Cs取值特点及范围,以期为白龙江流域流域防汛抗旱决策、水利工程建设、水资源调度指挥等提供技术支撑。

1 流域概况及监测站点分布情况

白龙江是嘉陵江的一级支流,处在东经102°30′～105°40′,北纬32°20′～34°10′之间,干流源头位于甘肃省碌曲县郎木寺乡,流经若尔盖、迭部、舟曲、武都等地,最后在青川、昭化县汇入嘉陵江,干流整体呈西北到东南方向。流域内地势变化剧烈,峰锐坡陡,河道的平均坡降约为4.8‰,最陡处近30‰。流域面积32 850 km2,全长576 km,在甘肃省境内的流域面积占总流域面积的83%,河长占到河流总长的82.5%。

白龙江流域内的监测站点由国家基本水文站和专用水文(水位)站组成,其中国家基本水文站10站、专用水文站3站。由于专用站的监测资料没有进行整编刊印,故本文采用基本水文站监测资料进行分析。流域内水文站分布情况见图1,白龙江干流从上游到下游依次为白云、舟曲、武都、碧口水文站,支流岷河有宕昌水文站,拱坝河有黄鹿坝水文站,北峪河有马街水文站,白水江有文县、尚德水文站,让水河有草坝水文站,整个流域控制较好。

图1 白龙江流域水文站分布图

2 历史典型洪水概述

收集暴雨洪水调查资料,可以掌握流域内发生大洪水的年份,为进一步判断洪水考证期等提供依据。其中,1904年白龙江流域发生流域性大暴雨,根据调查记录,大雨历时3 d左右,白龙江及其支流发生不同程度的大洪水,其中白龙江根古河段、舟曲河段、武都河段及白水江文县河段均发生调查最大洪水。

1976年7月25日宕昌县化马公社一带发生小流域的特大暴雨洪水[1]。中心雨量达330 mm,主雨峰历时3 h,流域内的小河坝沟,流域面积14.2 km2,发生洪峰流量870 m3/s的特大暴雨,洪峰流量模数为61.3 m3/s/km2。

1984年8月3日,白龙江流域发生大暴雨,造成白龙江中下游、北峪河、白水江等多条江河水位暴涨,其中武都水文站实测流量1 920 m3/s为建站至1984年最大实测流量。

2000年5月13日宕昌境内发生短时暴雨,庄子村位于暴雨中心,累积点雨量280.0 mm。

2018年7月9-11日,白龙江中下游普降中到大雨,局地发生大暴雨。1小时最大雨量18.8 mm,3小时最大雨量48.2 mm,最大点雨量发生在碧口镇。此次暴雨导致白水江水位迅速上涨,干流及支流丹堡河发生特大洪水,沿岸水毁情况严重。文县水文站洪峰流量661 m3/s,尚德水文站洪峰流量1 820 m3/s均为建站以来实测第二大洪峰。

2020年8月10-17日,白龙江流域普降大到暴雨,多条河流发生大洪水,其中舟曲、碧口、黄鹿坝、文县、尚德水文站实测最大洪峰流量依次为922 m3/s、6 010 m3/s、358 m3/s、1 170 m3/s、2 870 m3/s均为建站实测最大洪峰流量。这次洪水给流域内带来了尤为严重的水毁灾害。

3 洪峰流量频率计算

3.1 资料使用情况

实测最大洪峰流量数据均来自水文年鉴,可靠程度高。实测资料系列均延长至2021年,实测系列长度最短为宕昌站39 a,最长为碧口站65 a。资料系列包含多组丰、枯水年,具有良好的代表性。对于历史洪水调查数据,《甘肃省洪水调查资料》[1]调查全面细致,可靠性高,本文计算采用其中的调查成果。

一致性方面,根据规范要求,断面发生迁移的站,迁移前后集水面积变化比超过30%则不能使用,宕昌站的前身三盘子站和宕昌站集水面积变化为36.5%,三盘子站资料无法进行一致性处理后使用,故三盘子站资料不参与频率计算。集水面积变化比在5%～30%,采用面积比拟修正的方法对资料系列进行一致性处理后使用,对舟曲站前身立节站、文县站前身鹄衣坝站、尚德站前身蒿坪站,按照相关计算方法进行了一致性处理。其余站断面均未发生大的变动或迁移前后集水面积变化在5%之内,直接使用不做处理。对调查断面与现监测断面不一致的,集水面积变化比在5%～30%,也同样进行面积比拟修正的方法修正后使用。

3.2 考证期及特大值处理

考证期会影响频率计算均值,进而极大地影响频率计算成果,因此必须科学、有依据的判断站点的洪水考证期。根据《甘肃省洪水调查资料》第五册,白龙江干流和拱坝河河段分别有根古站调查断面、香椿沟站调查断面、观峰崖调查断面、黄鹿坝调查断面1904年最大历史洪水调查值。因此,白云、舟曲、武都、黄鹿坝站采用1904年为最早调查年份,因实测资料延续至2021年,故调查考证期取118 a。

白龙江碧口段及其支流白水江、让水河流域综合来看,最远可查到白水江蒿坪站和让水河草坝站调查断面有1852年最大历史洪水调查值。延续至2021年,碧口、文县、尚德、草坝站调查考证期取200 a。

宕昌水文站岷河宕昌段调查情况来看,最远可查到支流南河南河公社断面有1915年调查值,从整个区域看属于小范围局部暴雨洪水。因此,综合研判采用三南河公社断面1915年记录为最早调查年份,结合适线情况,调查考证期取150 a。马街站北峪河无调查值,根据适线情况采用实测资料直接进行频率计算。

特大值的选用,目前没有明确的规定。本文挑选洪峰流量显著大于多年平均洪峰流量的特大洪水作为特大值,且考虑了变差系数、均值与变差系数关系等因素[3]。流域内各站特大值选用情况见表1。

表1 白龙江流域各水文站频率计算资料采用情况

表2 白龙江流域各水文站频率计算参数选用情况

3.3 频率计算

按照设计洪水频率计算规范要求,本文频率计算采用P-Ⅲ型频率曲线法对10个水文站河段洪水进行分析计算,得出不同频率的洪峰流量。计算时利用甘肃省水文站杜克胜同志编写的P-Ⅲ型频率计算程序进行参数计算及适线操作,具体计算方法及步骤如下:

首先计算确定经验频率P。利用下列公式:

式中:N为样本总数,n为实测洪水总数,a为调查洪水总数,l为实测并列入特大值处理的洪水个数。无特大值时,实测值经验频率采用P1公式计算。当出现特大值时,则按照P2公式进行计算。特大值的频率采用公式P3进行计算。

然后矩法求解得初始Cv及Cs值,计算公式及计算方法相关规范中已有详细规定,这里不再赘述。因矩法得到的曲线往往点据与曲线拟合最好,但得到的Cv及Cs值往往偏大或者偏小,不符合流域基本水文特征。所以要进行反复适线,并考虑流域水文特征、河段所处位置、调查考证期、水利工程影响等因素综合研判,得到既满足适线要求又符合规律的Cv及Cs/Cv值。对于个别偏离较大的点子,适线时综合研判了洪水可能的误差范围,在适当靠近的同时不过分追求完全适线。多次适线并认真分析最终得到参数合理可靠、适线良好的频率图,武都水文站年最大流量洪水频率曲线见图2。白龙江流域各水文站洪水频率计算结果见表3。甘肃省防洪重点白龙江武都河段百年一遇洪峰流量为2 310 m3/s,五十年一遇洪峰流量为2 310 m3/s。

图2 武都水文站洪水频率曲线图

3.4 参数分析

将均值、考证期、Cv、Cs/Cv影响频率曲线的率定的参数统计,见表2。均值由计算得出,一般情况下不作调整。就考证期而言,受流域内降雨影响,截止2021年,白龙江中上游地区为118 a、下游碧口及邻近白水江、让水河为200 a。

白龙江干流从上游白云站到下游碧口站,Cv值在0.66～0.82之间,且呈逐渐减小趋势,这与一般流域Cv值变化规律相符合[2]。各支流Cv取值在0.56～1.35之间,变化随地容地貌、河床坡度、气候特征等不同,其中马街站是白龙江一级支流白马峪河的控制站,集水面积小,仅为278 km2,河床坡面陡峭,故Cv取值大,达到1.35。白水江下游尚德站Cv值明显大于上游文县站,不符合Cv值一般变化规律,其原因可能是在大的洪水过程中,有支流(丹堡沟等)的洪水汇入,且支流汇入比重很大。如在2020年白水江流域特大洪水中,文县站洪峰流量1 170 m3/s,尚德站流量2 870 m3/s,文县站洪峰流量只有尚德站洪峰流量的41%。

白龙江干流和流域内中上游各河流,Cs/Cv倍比可取3.5,马街站由于Cv值较大,Cs/Cv可取2.5。白水江和临近让水河Cs/Cv取3.5后适线并不好,因此三站取值均不同,这可能是因为近十年来局部气候改变,白水江流域多次发生大级别的暴雨洪水所致。

对比《甘肃省水文情报预报手册》2013版洪水频率计算结果来看,舟曲、武都、黄鹿坝、文县、尚德水文站,均值呈现出增大趋势,主要是2011-2021年流域内个别场次洪水量级较大所致,特别是2018年与2020年白龙江、白水江流域内多次发生大级别的暴雨洪水。2020年舟曲站、黄鹿坝站、文县站、尚德站、碧口站均发生建站以来的最大洪峰流量,2018年舟曲站、黄鹿坝站、文县站、尚德站均发生建站以来的第二大洪峰流量。白云、碧口、宕昌、马街、草坝水文站均值呈减小趋势,主要是由于整个流域2013-2021年枯水年和平水年份居多。