综合遥测数据的小流域设计暴雨洪水计算

肉孜买买提·阿不来提

（伊犁水文勘测局,新疆 伊宁 835000）

伴随着气候变化与强人类活动的影响,极端水文事件频现,对社会经济的发展、人们的生活带来了深远的影响,甚至产生了巨大的经济损失,长期以来成为研究的重点、热点。伴随着水文与气象站网密布、水文气象数据丰富,人们已对于大中流域及极端水文事件频现区域的自然灾害进行大量研究,最大可能暴雨计算方法、调蓄经验单位线法、推理公式法等相继被提出[1-3],并在实践中不断得到完善,部分方法被写入了规范,对自然灾害的预防、水利工程的建设等提供了可靠的技术支撑。为使暴雨洪水的成果更加合理,不同学者对目前现有方法的改进方面也开展了大量研究,深化了人们对于暴雨洪水的认识,为更好的应对自然灾害提供了可靠的方法与数据支撑[4-6]。

暴雨洪水成果的合理性取决于实测数据的可靠性及精确度。虽然我国已布设了大量基础监测站点,但如新疆这类地形复杂、气候多变区域,现有的站点数量、密度远无法满足实际的需要,且大部分站点多布设在平原区及出山口,而暴雨及自然灾害频现区域站点十分稀少。对于大中流域暴雨洪水认识十分清楚,而小流域多采用规律的外推、展延、插值、比拟等方法获得,与实际存在一定的偏差,其精度与可信度还有待于进一步提高。

随着遥测技术的发展及其大量推广使用,目前逐步弥补了我国水文气象基础监测数据匮乏的弊端。为更好的指导小流域暴雨洪水计算,使之成果更加符合实际,本研究依托新疆天山西部山区小流域泥石流灾害治理项目,开展考虑综合遥测数据的小流域暴雨洪水计算方面的探究,以丰富基础资料匮乏区域暴雨洪水计算的成果与理论,更好地指导自然灾害治理与水利工程建设。

1 资料来源及研究方法

1.1 研究区概况

1.2 资料来源

（1）水文气象资料。收集研究区范围内建站至2015 年水文气象资料,数据来源于水文、气象年鉴。详细介绍哪些站是水文资料、哪些站是采用的气象资料。

（2）遥测数据。收集研究区范围内2013 年～2015 年遥测站点降水数据,数据来源于所在区域气象部门。介绍有几个遥感站。

（3）地形数据。地形数据来源于为本项目服务的1∶1000比例尺高精度等高线与高密度GPS 采集信息数据。

（4）ASTER DEM 数据。为拓展研究范围,研究中所用到的地形起伏变化分析的DEM 数据来源于美国EOS/MODIS 数据中心提供的ASTER GDEM数据,水平分辨率为30 m×30 m。

1.3 研究方法

为合理计算资料匮乏小流域的暴雨洪水,本研究以目前常用的方法为依据,并根据研究区的实际情况加以改进、修正,以探究结果的合理性,具体采用的方法有水文比拟法、推理公式法和地区经验公式法。

2 分析计算

2.1 洪水特性分析

研究区洪水以融雪洪水、暴雨洪水与混合洪水为主,融雪洪水主要发生在3 月～5 月的中低山和冲积扇坡面区域和6 月～8 月的高山区,其过程与气温变化过程类似,历时约5 天～7 天。混合型洪水主要发生在4 月～5 月,由气温升高引起的融雪水与多发的暴雨所造成。暴雨洪水多发的夏季,无明显的日变化。根据资料统计,所在区域年最大洪峰流量发生在4 月～6 月,占全年洪峰流量发生时间的84%,且主要发生在5 月份。

2.2 设计洪峰流量计算

以临近站库勒水文站作为参证站,采用矩法对1961 年～2015 年实测洪峰流量系列进行统计分析,并采用P-Ⅲ型曲线适线优选确定采用参数,最终确定的不同频率设计洪峰流量,见表1。

表1 参证站设计洪峰流量

2.3 研究区最大1 日降水量的确定

最大1 日降水量的确定主要依据所在区域已有的暴雨图集[7],由于所采用暴雨图降水量等值线较稀疏,给其加密带来了一定的难度。本研究选取流域内距研究区较近的库勒水文站作为参证站,确定不同频率下的最大日降水量。选用可用的遥测数据,采用反距离加权法计算出研究区中心的多年平最大日降水量,并建立其与参证站间的关系,修正参证站最大日降水量,具体见表2。

由于递推算法只有加法运算，而没有乘法运算，因此，该算法具有较高的运算效率。插补计算的初始条件（i=0时）如下式所示：

表2 研究区最大日降水量

考虑到参证站降水观测时段为两段制定点观测,因此最大24 小时暴雨均值采用最大一日暴雨乘以转换系数K1求得,根据《新疆维吾尔自治区可能最大暴雨图集》成果,新疆地区转换系数K1为1.13,则研究区中心最大24 h 降雨量见表2。

2.4 基于不同方法的小流域暴雨洪水计算

2.4.1 水文比拟法

研究区所在区域面积为21.8 km2,参证站以上集水面积为2326 km2。两者均属于同一流域,水文规律具有一定的相似性,但面积相差较大,根据《水利水电工程水文计算规范》（SL 278-2002）的规定,采用水文比拟法时需对其结果进行相应的修正。因此,本研究采用考虑最大日降水量作为修正要素对传统水文比拟法进行修正,具体公式如下：

式中：Qs为计算断面设计洪峰流量,m3/s；PS为计算断面在所区域平均最大日降水量,mm；P0为参证站点平均最大日降水量降水量,mm；FS为计算断面以上集水面积,km2；F0为参证站点以上集水面积,km2；Q0为参证站点最大洪峰流量,m3/s；n为经验指数,结合本流域所布设的其它站点,如天山积雪站等,综合确定为0.643。

最终得到研究区计算断面处的P=1%、P=2%和P=5%的洪水分别为13.92 m3/s、12.44 m3/s、11.05 m3/s。

2.4.2 推理公式法

依据国家行业标准《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 44-2006）及《水利水电工程设计洪水计算手册》等参考技术数据[8～9],并结合该流域的下垫面条件情况,采用推理公式法,推算各过水断面的设计洪峰流量。其中最大24 小时点降雨量采用以遥测站点为基础修正后数据。

采用推理公式法最终得到研究区计算断面处融合与不融合遥测站点洪水（表3）,可以看出两者相差在29%左右。

表3 融合与不融合遥测站点不同频率下的洪水

2.4.3 地区经验公式法

为更好地指导无资料区域暴雨洪水计算,所在区域建立了实测洪水、产流面积间的关系,具体公式如下：

式中：Qm为洪峰流量,m3/s；K为综合系数；n为指数常数；F为设计断面以上的流域面积,km2。

采用地区经验公式法最终得到研究区计算断面处的P=1%、P=2%和P=5%的洪水分别为15.38 m3/s、12.72 m3/s、9.36 m3/s。

2.5 讨论

小流域由于基础资料匮乏加之暴雨的复杂性,极大的制约了其合理计算,给相关方面带来了一定的隐患。为此,本研究充分挖掘研究区域可用基础监测数据,将遥测站点数据,融入暴雨洪水过程,充分考虑了暴雨空间的差异性,使暴雨中心的确定更符合实际,使计算结果更加符合实际。基于不同方法不同设计保证率下的洪峰流量（图1）可知,融合与不融合遥测站点数据确定的洪峰流量平均相差29%左右,由于没有考虑到降雨空间与大小流域产汇特征的差异性,以及无法合理的确定暴雨中心,使得最终确定的小流域暴雨洪水偏小,与实际相关较大。综合遥测站点数据在一定程度上考虑小流域与大流域的降雨量、强度的差异性,将其融入常规暴雨洪水的计算方法中,所得到的结果更反映实际情况。水文比拟法在产汇流相似流域应用较多且较好,尽管相似流域产汇流规律一致的,但其面积若相关太大,使用该方法得到的结果存在较大的不确定性,本研究将面积、暴雨等修正要素加以考虑,对传统水文比拟法进行了修正,计算结果得到了一定的改正,但大、小流域暴雨洪水的诱因复杂多变,加之两流域面积相关较大,最终结果还与实际存在一定的差异。推理公式法由于考虑了坡度、地形、植被覆盖率、产汇流影响、暴雨衰减等,用其得到的暴雨洪水结果更好符合实际,在生产中受到青睐,本研究结合遥测数据将大、小流域暴雨的差异性给予考虑,所得到的结果将更好符合实际,所得结果更加合理、可信。

3 结论

图1 不同方法不同设计保证率下的洪峰流量

本研究充分借助研究区可用的遥测站点数据,在数据潜力充分挖掘的基础上,在常规暴雨洪水计算的基础上,将遥测站点数据融与其中,使所得结论更加合理、可信。主要结论如下：

（1）鉴于研究区与参证站以上集水区面积相差较大,将遥测站日暴雨数据融入常规的水文比拟法中,对其进行修正,所得结果尽管仍存在一定的不确性,但与常规的水文比拟法相比有一定的改进,将暴雨的空间差异性纳入了其中。

（2）在推理公式法进行暴雨洪水计算中,将遥测站日暴雨数据融入,合理依据参证站不同保证率最大日暴雨进行研究区不同保证率日暴雨的确定,使所确定的暴雨洪水更加的合理。

（3）与常规方法暴雨洪水计算结果相比,融入与不融入遥测站点数据确定的洪峰流量平均相差29%左右,并且充分考虑了暴雨空间的差异性。由于推理公式法在小流域暴雨洪水计算过程中将与洪水相关的多种因素纳入其中,所得到结果更加合理、可信；水文比拟法由于面积较大差异性,其结果仍存在较多的不确定性,易出现失真的情况。地区经验公式法多反映流域暴雨洪水的平均情况,对于小流域面言其结果也存在一定的不确定性。

总之,小流域暴雨洪水确定受基础资料的限制,加之小流域本身产汇流规律的复杂性、影响因素的众多,合理确定其仍存在一定的难度,需充实结合实际,合理挖掘可用的数据源潜力,才能合理的确定；这也是今年需要开展的研究。