浙江省小流域设计洪峰流量的简捷估算方法

伍远康，劳国民，刘福瑶，陶永格

(浙江省水文局，浙江 杭州 310009)



浙江省小流域设计洪峰流量的简捷估算方法

伍远康，劳国民，刘福瑶，陶永格

(浙江省水文局，浙江 杭州 310009)

为了实现山丘区小流域设计洪峰流量的快捷估算，按分布基本均匀和大区套小区的原则，分别在全省筛选了162个代表流域和大套小32组共72个流域，计算机提取流域(河流)特征，以暴雨分析设计洪水、面积指数，并绘制成8种设计频率的洪峰模系数等值线图，据此可以快捷查算全省任意指定断面的设计洪峰流量值。

简捷估算；设计洪峰流量；浙江省

1 问题的提出

设计洪峰流量是指水利水电工程规划、设计，河流治理，公路、铁路桥涵设计以及其它国民经济建设中指定的各种标准的洪峰流量，是设计洪水计算三要素之一。设计洪水的计算通常具有2种途径，一是根据实测流量资料计算设计洪水，二是根据暴雨资料推求设计洪水，2种途径各有优缺点[1]，但不管是以流量资料还是以暴雨资料计算设计洪水，过程相对繁琐。能否通过一定数量的代表流域指定频率设计成果的分析、综合，简便、快捷地获得任意指定位置的设计洪水，是本文所要讨论的问题。

2 下垫面分区

为满足设计洪水计算和成果综合需要，达到相同分区内与设计洪水有关的参数综合的目的，以浙江省现有122个水文站实测历年最大洪峰流量为因变量，将与洪峰流量具有明显成因联系的同场雨的不同时段最大雨强、流域面积、河床比降等作为自变量建立全省复相关关系，计算回归洪峰流量、统计与实测洪峰流量的相对误差，将其一一对应地标注在全省122个站点的分布图上[2]。根据各站相对误差偏大、偏小的情况，结合考虑全省主要水系一级支流的完整性、土壤改良利用分区[3]、植被分区和中国水文分区[4-5]，将全省划分为A、B两个区。其中，A区面积4.294万km2，包括钱塘江中上游、瓯江中上游、浦阳江、曹娥江地区，这一区域与浙江省的梅雨区基本吻合；B区面积6.086万km2，包括天目山区、会稽山、四明山、天台山、大盘山、括苍山、南北雁荡山等余下区域，呈“7”字形分布，这一区域与浙江省的台风雨区基本吻合[6](见图1)。

图1 浙江省洪水计算分区图

3 代表流域选择

在全流域面积在50 km2以上的省526条山地河流中，按照面上分布基本均匀的原则，选取162个代表流域，集水面积在49.3～1 912.0 km2，分布见图2；根据大流域套小流域的要求，在A、B两个区分别选取32组共72个流域(见表1)。采用国家1∶50 000基础数据高程模型以及2007年以后的单一时相2.5 m分辨率的遥感影像数据，利用计算机人机交互提取上述流域的流域面积、河长以及河流比降特征[7-8]。

图2 全省山丘区162个代表流域分布图

表1 A、B分区配套流域及特征统计表

4 设计洪水计算

针对现行设计洪水计算方法存在的模型参数分析所采用的分析站点少、资料系列短，汇流参数的下垫面分类任意性较大，流域面积50 km2上下需用不同计算方法以及下垫面分类、面积分级交界点的设计值不衔接等不足，作者综合我国各省(市、区)在设计洪水中采用方法、应用经验，以瞬时单位线为设计洪水首选方法，并在建国以后全省设立的实验站、小河站和区域代表站中筛选出97个水文站，流域面积在0.6～2 157.0 km2，共计1 465场实测暴雨洪水资料，对模型参数进行计算机自动优选、识别，结合流域特征进行参数的单站、分区综合，提出了浙江省分区设计洪水计算方法。由于使用了较原来多4倍的雨洪资料，提高了方法的代表性；以下垫面分区代替分类减少了设计成果的任意性；不需要区分设计流域面积的大小，扩大了方法适应性，作为本文设计洪水计算选用方法。设计暴雨、日程、时程分配按照浙江省水文局编制的《浙江省短历时暴雨》(2003年2月)成果和方法。

具体做法是直接查读162个代表流域形心处的最大100 min、600 min、60 h、240 h、30 d等5个时段的均值、Cv，计算0.1%、0.2%、0.5%、1.0%、2.0%、5.0%、10.0%、20.0%等8种设计频率雨量和时程分配，结合已经获得的流域面积、河长以及河流比降特征，按分区设计洪水计算方法分析得到162个代表流域相应频率设计洪峰流量。

5 设计成果的地区综合

5.1 地区综合方法

通常洪峰流量与流域面积的经验关系呈幂指数型，即：

QM=CpFn

(1)

式中：QM为设计洪峰流量，m3/s；F为设计流域集水面积，km2；n为面积指数，反应幂函数线形状，随地区和洪水量级变化，其变化范围在0.5～0.8；Cp为洪峰模系数[9]。

由式(1)得：

(2)

为此，可以绘制洪峰模系数等值线的方法进行地区综合，即按上述设计洪水计算方法分析162个代表流域的指定频率洪峰流量，根据流域的设计洪峰流量、流域面积，A区、B区相应频率的面积指数，由(2)式得到162个流域相应频率的洪峰模系数Cp，分别置于162个流域的出口断面处，绘制成指定频率的洪峰模系数等值线图。

5.2 面积指数分析

以A、B两区选出的32组“大套小”共计72个流域，按照设计洪水计算方法分析指定频率的洪峰流量，分别按A、B分区点绘～关系，分析的面积指数值见图3、4，各频率分析成果见表2。可见，A区面积指数要小于B区，A区面积指数在0.631～0.679，平均为0.662,平均相关系数为0.981；B区面积指数在0.698～0.768，平均为0.742，平均相关系数为0.978。2个分区面积指数均处于0.5～0.8的合理区间。

图3 A区QN～F关系曲线图(P=1.0%)

图4 B区QN～F关系曲线图(P=1.0%)

设计频率A区B区anR2anR20.1%63.2930.6790.963154.4620.7680.96900.2%58.7050.6760.962350.9690.7640.96790.5%52.5390.6710.960646.4390.7580.96531.0%47.1030.6690.960442.9300.7510.96262.0%41.7220.6640.961239.0480.7440.95825.0%34.7950.6560.961033.5340.7310.951010.0%29.3640.6470.961229.0780.7180.944320.0%23.9560.6310.963924.1920.6980.93440.66210.962010.74210.95701

注：表中上标1的数据为平均值。

5.3 设计洪峰模系数等值线

5.3.1 等值线分析

根据162个典型流域面积、8种频率的设计洪峰流量和相应频率面积指数，按照洪峰模系数计算公式，求得162个流域的洪峰模系数Cp，在浙江省的数字地图上，准确标注162个流域的控制断面位置，并将洪峰模系数Cp置于对应流域的出口断面处，利用ArcGIS空间分析技术绘制成洪峰模系数等值线图(见图5)。

图5 浙江省p=1.0%设计洪峰模系数等值线图

5.3.2 查图检验

为了检验各频率设计洪峰流量模系数等值线成果的合理性，以100 a一遇洪峰模系数等值线为例，在相应分区内选用部分水文站直接法计算成果、已建水库设计成果与查图成果进行比较(见图6、7)。为了检验洪峰模系数图在特小面积上的适用性，在宁波地区选择了部分特小流域，进行了直接与查图方法设计成果的比较，具有较好的相关性(见表3)。由此可见，按此法得到的洪峰流量与工程选用设计成果有较好的一致性。

图6 B区水文站不同方法成果比较图(P=1.0%)

图7 A区水库不同方法成果比较图(P=1.0%)

设计流域面积/km2计算洪峰流量/(m3/s)面积指数洪峰模系数查图洪峰流量/(m3/s)陆埠55.501049.00.75151.41021.0梁辉35.06577.00.75139.9680.0双溪口40.01498.00.75131.2575.0向家弄15.70331.00.75141.8396.0百丈岗16.64565.00.75168.4438.0寺前王12.72315.00.75146.6270.0穴湖2.5253.80.75126.990.1大池墩12.48181.00.75127.2220.0陶徐冯1.2943.00.75135.538.7相岙6.58158.00.75138.4132.0姚岭5.30153.00.75143.7129.0车厩7.80224.00.75147.9187.0华山2.0563.60.75137.190.9

5.3.3 成果应用

依据设计洪峰模系数等值线图，可以直接查读任意指定山丘区断面8种设计频率的洪峰模系数、所在分区的面积指数，结合设计流域的面积，按照式⑴即可简便、快捷地获得指定地点的设计洪峰流量值。所介绍的方法可作为简捷估算浙江省山丘区设计洪峰流量和对相关设计成果进行合理性评价使用。

6 结 语

本文介绍了浙江省任意小流域设计洪峰流量估算的简捷方法，需要说明的是现有各种计算设计洪水的途径，其估算成果都要受到资料条件、计算理论方法对各种环节所采用的概化、均化和简化的限制和影响，加上在计算过程中免不了受到计算者的主观和偏爱的影响，计算结果只能近似地代表其本来定义中应当具有的数值。浙江省处于中国东部季风气候控制范围，暴雨洪水变幅较大，对其变化规律至今还不能描述清楚，在洪水估算中难度较大。应此，在我国的长期实践中，对设计洪水总结出“多种途径、多种方法、综合分析、合理选用”的做法[10]，其出发点是为弥补不同途径和方法所使用资料的局限性，以及使用不同方法在不同环节上进行概化带来的缺陷，可以起到相互参照，相互验证、相辅相成的作用，最后经过综合分析、判断选定设计成果。因此，在本成果应用过程中，上述长期实践总结出的方法仍然是十分必要的。

[1]陈家琦,张恭肃.小流域暴雨洪水计算[M].北京:中国水利水电出版社，1985.

[2]郭生练.设计洪水研究进展与评价[M].北京:中国水利水电出版社，2005.

[3]浙江省农业区划委员会办公室.浙江省农业区划图集[M].西安：测绘出版社.1989.

[4]熊怡,张家桢.中国水文区划[M].北京：科学出版社，1995.

[5]朱冀军,华鹏年,刘新生.全国水文分区体系现状与指标体系[J].公路,2012(4):1-3.

[6]伍远康，陶永格，刘福瑶.基于区域回归分析法的浙江洪水计算分区[J].水利水电科技进展，2015,35(4)：39-43.

[7]宋晓猛,张建云,占车生,等.基于DEM的数字流域特征提取研究进展[J].地理科学进展，2013，32(1)：31-40.

[8]刘福瑶,刘九夫,王欢.我国100 km2以上河流数量惯用数据的溯源分析[J].科技信息， 2013(10)： 485-486.

[9]王国安,李文家.水文设计成果合理性评价[M].郑州：黄河水利出版社,2002.

[10]王国安.可能最大暴雨和洪水计算原理和方法[M].郑州:黄河水利出版社,1999.

(责任编辑 姚小槐)

A Simple Estimation Method for Design Flood Peak Flow of Small Watershed in Zhejiang Province

Wu Yuan-kang，Lao Guo-ming，Liu Fu-yao，Tao Yong-ge

(Zhejiang Provincial Hydrology Bureau, Hangzhou 310009, Zhejiang, China)

In order to achieve a faster estimation of small watershed design peak flow in hilly areas, according to the principle of the basic even distribution and groups of small region in big one, 72 basins were selected from 162 representative basins and 32 groups in Zhejiang Province. The watershed (river) features were extracted by computers, rainstorms were used to analyze design flood and area index. We drew contour maps of flood peak mode coefficient in 8 kinds of design frequency. According to the map, the design peak flow values of any specified section in Zhejiang province can be checked and calculated quickly.

faster estimation; design peak flow；Zhejiang Province

2015-10-11

浙江省公益性科研项目(2012C23041)；浙江省水利厅重大科技项目(RA1201)。

伍远康(1957-)，男，大学本科，教授级高级工程师，主要从事水文、水资源及水环境研究工作。

E-mail：wuyk130@263.net

P333

A

1008-701X(2016)01-0053-04

10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.01.017