连江流域中小河流洪峰模数分布规律初探

陈斯达，陈丕翔，彭 艳，陈佩琪，杨 骐，陈卓英

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 510635)

1 概述

连江为北江最大的一级支流，是北江流域洪水的主要来源，干流长275 km，流域面积为10 061 km2，占北江流域面积的21.5%。连江属山溪性河流，位于广东省暴雨高值区，洪水多发，具有暴涨暴落的特点[1]。北江“22·6”特大洪水期间，阳山站、青莲站水位超历史实测最大值，连江高道站6月23日0时出现洪峰水位(33.37 m)，相应流量为8 650 m3/s，超过100年一遇(100年一遇为7 880 m3/s)。由于洪水量级大、高水持续时间长，影响范围广，致使连州、阳山等地灾情严重[2]。而连江流域内的大部分中小河流缺乏实测洪水资料，未能准确及时开展洪水预报预警工作[3]，给当地防御工作带来极大挑战。

洪峰模数是指流域内单位面积产生的洪峰流量，它表示流域产洪的能力。郭良[4]对洪峰模数分布图作为山丘区中小流域洪水频率图编制的主要成果之一进行了研究，可为洪水灾害风险评估、早期应对提供基础支撑；杨静[5]分析了暴雨洪水洪峰模数在天山北坡中段地区上的分布规律，为解决该区域小河(沟)在缺乏实测资料情况下设计暴雨洪水计算提供了一个新方法；朱健[6]分析了新疆天山北坡军塘湖河流域“8·29”特大洪水特征与洪峰模数，对无资料区域内河沟暴雨洪水的特性分析和防洪减灾治理具有一定的参考价值；罗志远[7]绘制出贵州省多年平均和主要设计频率的洪峰流量模数等值线图，对贵州省的水利水电工程规划与设计具有一定的参考价值；卢昌[8]分析了不同地区的最大洪峰流量模数与集水面积的关系，为水利工程规划设计及对特大洪水规律分析和预测提供参考；徐洁[9]指出，在用洪峰模数对设计洪水计算成果进行合理性分析时，要充分考虑影响洪峰模数的因素。

在此背景下，本文针对气候、下垫面条件相似且具有代表性的连江流域中小河流，绘制流域不同设计频率的洪峰模数等值线图，探索洪峰模数在流域内的变化规律，可为分析洪水在区域内的变化规律及防御中小河流洪水提供参考和决策依据[10]。同时，从等值线图上查出洪峰模数及相应的面积即可计算出相应的设计洪峰流量，对连江流域中小河流的水文分析计算、水利水电工程规划与设计具有一定的参考意义[11]。

2 设计洪水分析计算

2.1 主要水文站点设计洪水分析计算

本次收集到连江流域内黄麖塘(二)站(1959—2020年，共62 a)和临近的珠坑站(1958—1989年，共32 a)实测年最大洪峰流量资料。珠坑站和黄麖塘(二)站是北江流域内建设较早、监测历时较长的测站，其流量资料由水文部门根据相关规范要求进行观测、成果整编。经可靠性，一致性和代表性审查，结果表明本次所使用的流量资料具有较高的质量。

考虑历史调查洪水可提高系列的代表性，减小曲线拟合的任意性，从而提高洪水分析计算的精度和可靠性，本次采用原广东省水利电力厅1991年出版的《广东省洪水调查资料》，结合连江流域多年来水利水电工程规划及设计中对相关测站历史洪水及其重现期的考证后加入计算系列。其中，珠坑站(站点以上集雨面积为1 607 km2)1923年、1885年共2场历史洪水，洪峰流量分别为2 120 m3/s(供参考)、3 100 m3/s(供参考)；黄麖塘(二)站(站点以上集雨面积为595 km2)1946年、1942年共2场历史洪水，洪峰流量分别为2 100 m3/s(可靠)、1 730 m3/s(可靠)。

考虑历史洪水，采用矩法初步估计统计参数；采用皮尔逊Ⅲ型频率曲线拟合点据；采用优化适线法调整初步估计的统计参数，并使用经验适线法进行验证，计算不同重现期下的设计洪峰流量。经对比，本次计算成果与已批复的成果非常接近，相差在6%以内(见表1)。考虑到成果的权威性，滨江站设计洪水采用广东省北江流域综合规划(2012年)的成果(已有成果1)，黄麖塘(二)站设计洪水采用广东省清远市流域综合规划(2011年)的成果(已有成果2)。

表1 本次计算成果与已有成果对比 m3/s

2.2 主要控制断面设计洪水分析计算

本次选取连江流域范围内中小河流的河口、重要支流汇入口、重要工程断面、主要城镇等控制断面共计83个(断面位置分布见图1)，与珠坑站和黄麖塘(二)站临近的控制断面(集雨面积相差小于20%)，采用水文比拟法推算设计洪水。

图1 控制断面点选取分布示意

本次利用三水源新安江模型推求设计洪水，采用三水源蓄满模型(SMS_3)计算产流，采用滞后演算模型(LAG_3)计算坡面及河网汇流，采用马斯京根河道分段连续演算模型(MSK)计算河道汇流[12]。由于本次研究范围的绝大多数河流所在区域及其临近区域内无实测洪水资料、历史调查洪水资料和实测降雨资料等，经分析计算，发现采用新安江水文模型推求连江流域中小河流设计洪水的效果较差。根据广东省已有相关工程设计洪水分析计算经验，对于缺乏实测流量资料地区，采用广东省综合单位线法和广东省推理公式法，由暴雨资料推求设计洪水具有较高的实用性。

根据连江流域高精度DEM，利用ArcGIS中的Spatial Analyst工具，提取各河流河口及主要控制断面以上的集雨面积、最长汇流路径及其比降。利用广东省水文局编制颁布的《广东省暴雨参数等值线图》(2003年)及《广东省暴雨径流查算图表》分析设计暴雨。考虑大中型水库的调蓄作用，同时采用广东省综合单位线法和广东省推理公式法由暴雨资料推求中小流域设计洪水，结合流域下垫面条件合理调整参数，协调2种方法的设计洪峰流量相对误差不超过20%后，原则上采用广东省综合单位线方法的设计洪水成果。

3 洪峰模数一致性、合理性分析

3.1 一致性分析

各河口和主要控制断面的设计洪水成果，在合理性分析的基础上，遵循“多种方法、综合分析、合理选用”的基本原则，根据设计洪水分析成果，计算洪峰模数(见表2和表3)。连江流域内各中小河流属同一水文分区，且地理位置邻近，洪峰模数存在明显的相关性规律(见图2和图3)，可以认为成果具有一致性。

a P=1%

a P=1%

表2 连江上游各中小河流河口洪峰模数统计

表3 连江中下游各中小河流河口洪峰模数统计

3.2 合理性分析

将本次设计洪水分析计算成果与已有工程设计成果对比，误差均在15%以内(见表4)，符合《中小流域洪水频率图编制技术要求(试行)》关于设计洪水成果合理性的相关要求，认为本次设计洪水成果合理。

表4 连江流域中小河流设计洪水成果对比统计 m3/s

4 洪峰模数分布规律分析

4.1 等值线图绘制

以连江流域中小河流100年、20年一遇设计洪水分析成果为例，将各河口和主要控制断面的设计洪峰模数标识在连江流域水系图上并勾绘模数等值线图，考虑地区规律和高低值区域，选取合适的等值线间隔值，修正等值线平滑度[13](见图4)。

a P=1%

4.2 洪峰模数规律

洪峰模数等值线成果表明：连江上游的连州、连南北部等区域属暴雨相对低值区，洪峰模数较小；连江中下游的乳源南部、英德西北部、阳山南部、连南中部和南部等区域属暴雨相对高值区，洪峰模数较大，防御洪水过程中应当加以重视；阳山中部和北部地区洪峰模数介于两者之间。此外，一般峰模数随着集雨面积的增加而减小，随着最长汇流路径比降的增大而增大；在最长汇流路径比降不变的情况下，洪峰模数随着暴雨强度的增大而增大，反之亦然。

4.3 运用参考

本次连江流域中小河流洪峰模数等值线分布规律，与以下3个工程示例的洪峰模数成果相吻合：三江河流域面积为618 km2，流域综合整治工程中河口20年一遇设计洪峰流量为1 359 m3/s，相应洪峰模数为2.20 m3/(s·km2)；锦潭水库位于连江一级支流黄洞河中游，坝址以上集雨面积为227 km2，100年一遇设计洪峰流量为1 940 m3/s，相应洪峰模数为8.53 m3/(s·km2)；东陂河流域面积为826 km2，中小河流治理工程中河口20年一遇设计洪峰流量为1 385 m3/s，相应洪峰模数为1.68 m3/(s·km2)。本次连江流域中小河流洪峰模数分布规律可为连江流域中小河流设计洪水计算成果合理性判别提供按参考。

5 结语

本次在分析计算连江流域中小河流主要水文站点及主要控制断面设计洪水的基础上，结合历史洪水调查资料、已有工程规划和设计洪水成果、基础地理信息数据等，绘制连江流域中小河流不同重现期下洪峰流量模数等值线图，旨在探讨连江流域中小河流洪水规律，为防御连江流域中小河流洪水提供参考和决策依据，对连江流域水文分析计算、水利水电工程规划与设计具有一定的参考意义。