设计洪水地区组成及修正方法研究

倪皖南

设计洪水地区组成及修正方法研究

倪皖南

（辽宁省沈阳水文局，辽宁沈阳110043）

文章以石佛寺水库枢纽工程设计洪水地区组成分析计算为例，提出了流域设计洪水地区组成计算中各控制地点、各分区设计洪水成果分析计算，设计参数和洪水过程线修正、试错、纠正并进行合理性分析的方法，最终使上游和区间洪水过程组合成果与下游控制地点的设计洪水成果一致，组合洪水成果更加合理，进而满足工程设计的需求。

全区洪水；典型年；同频率；修正；设计洪水过程

1 问题提出

分析设计洪水地区组成常用的方法有同频率法和典型年法。两种方法均是将控制地点处指定频率的设计洪水分配给上游各分区，以研究所拟定的洪水组成时水库或其它工程的调洪作用。因而分配到上游各分区天然状况洪水，经洪水演算后在控制地点处组合，与该处的设计洪水在洪峰、洪量、洪水过程等要素方面达到吻合，是分析比较不同洪水组成方案优劣的基础。实践中，各分区组合洪水常常与控制地点设计洪水不能十分吻合，有时甚至相差较大，需以控制地点的设计洪峰、洪量及洪水过程为控制对分区洪水进行修正与调整。修正与调整方法是否合理、有效而无任意性，同样对研究不同洪水组成水库的调洪作用和比较不同组成方案优劣十分重要。下文将对设计洪水地区组成中，设计洪水如何分配及分区洪水如何修正进行探讨。

2 原因分析

影响分区组合洪水与控制地点设计洪水吻合的因素很多，大致可分为两个方面。

2.1 方法使然

地区组成法是以实测洪水中某一年份的洪水作为典型，按其洪量在各分区的组成比例，分配控制地点指定频率的设计洪量到各分区，并且根据各分区分配洪量与典型年洪量的比值关系放大洪水过程线。洪水的形成是十分复杂的，无论对于控制地点还是各分区地点，各次洪水间洪水过程线各不相同；不同时段洪量比重关系千差万别；洪峰与洪量的相关关系更非一致。对于控制地点，各次洪水的组成状况亦很复杂，因而各分区洪量组成比例关系差异也较大。由于典型年洪水仅是众多洪水中的一个特例，而设计洪水是对多次洪水的洪峰和不同时段的洪量分别单独选样，并经频率分析计算的结果。因而两者必然在洪量组成的比例关系上，在不同时段洪量的比重关系上，在洪峰和洪量的相关关系上存在着差异。这种差异，是地区组成法影响分区组合洪水与控制地点设计洪水吻合程度的主要内在原因。

特别是，由于地区组成法是按洪量的组成比例分配设计洪水，如果分配合理，分区洪水的组合洪量会与设计洪量达到一致。但分区洪峰组合并非各分区洪峰的简单叠加，而是各分区峰尖附近洪水过程交错组合的结果。因而对于洪峰洪量相关关系不好的河流；对于分区划分较多的地区组成状况；对于控制地点设计洪水以峰、量分段同频控制的情况，出现组合洪水与设计洪水在峰尖附近不吻合亦是在所难免的。

2.2 计算不合理所致

用地区组成法推求分区洪水,如下环节计算或运用的不合理都会影响分区组合洪水与控制地点设计洪水的吻合程度：

1）设计洪水频率分析计算不合理。主要是控制地点和拟定与控制地点采用同频设计的分区地点，各自时段洪量及洪峰间的统计参数不平衡，相互间统计参数在地区上的不平衡，造成设计值上的偏差，而影响洪水分配的不合理。

2）典型年的选择和设计洪水地区组成方案拟定的不合理。即典型年洪水不具代表性，没有反映在本流域大洪水的组成规律或设计洪水地区组成方案不符合地区洪水的组成规律；典型年洪水组成关系与设计洪水组成方案不匹配，导致放大后的洪水过程扭曲。

3）设计洪量分配不合理。洪量分配时，没有考虑控制地点与分区地点两者最大时段洪量，在空间上和时间上的差异及组合时河道调蓄作用的影响，导制分配量的偏差。

4）洪水过程放大不合理。控制地点设计洪水过程与分区洪水过程线的放大方法或洪量时段控制不一致，使两者洪水过程不一致；由于洪水过程各时段放大倍比不同，相邻时段衔接处人为修正的任意因素较多，使之修正结果不一致。

3 解决方法

依以上分析，应从分区洪水的推求与修正两个方面去解决。即以合理的推求方法，减少由各计算步骤引起的吻合上误差，和以实用有效的修正方法改善地区组成法本身的缺欠。由篇幅所限，假定计算环节中的设计洪水频率计算和典型年的选择与地区洪水组成方案均为合理的条件下，仅对设计洪量的分配方法、洪水过程线的放大方法及分区洪水的洪峰修正方法进行讨论。

3.1 洪量分配

洪量分配是对控制地点的设计洪水进行空间上的分配。根据水量平衡原则，按照典型年各分区洪量的组成比例，分配控制地点的设计洪量，一般按下式：

式中：wpi为分区分配的设计洪量；ki为分区洪量分配系数；Wp为控制地点设计洪量或从控制地点设计洪量中，扣除与其同频设计分区的设计洪量后余下的设计洪量；wdi为分区典型年洪量；m为总分区或从总分区数中扣除与控制地点同频设计分区后余下的分区数；i为分区号，i=1，…，m。

对于短时段来说，各分区时段最大洪量出现时间并不能与组合后的时段最大洪量时间一致，因而分区时段最大洪量之和一定大于组合时段最大洪量。因此，仅按设计值Wp之值分配时段洪量其结果是偏小的，需进行修正。这样式（1）可变为：

式中：R——为组合平衡时段设计洪量的修正系数。

3.2 洪水过程线放大

在设计洪水地区组成中，洪水过程线放大是对各分区洪水及控制地点设计洪水进行时程分配。现行的放大洪水过程线为同频率分段控制法，因各时段放大倍比不同，放大后在时段交接处产生脱节，需人工修匀，由于人为因素和任意性较大，故地区洪水组成中分区的多少，亦影响到分区组合洪水过程线与控制地点设计洪水过程线吻合的程度。笔者认为应用典型和设计时段流量关系法放大洪水较好，可获得符合峰、量同频分段控制要求的效果，洪水过程线连续光滑，克服了人为因素和任意性。其主要计算式为：式中：Qi为洪水过程线放大后第i结点洪水流量；Qci为放大前第i结点洪水流量初值；Qx，Qy分别为典型年和设计洪水控制时段内的平均流量；Qm，Qp分别为典型和设计洪峰流量；n为洪水过程线总结点数；m为控制时段洪量的时段数；Wt，Wp分别为典型年和设计洪水时段洪量；t为时段洪量历时；wJ为放大后时段统计洪量；ε为误差率。

计算时，首先根据典型洪水和设计洪水的Wt和Wp计算出Qx和Qy，然后按式（5）以典型洪水过程各结点值作为Qc，求出各结点放大后的Q后，统计计算各时段洪量wJ，判断是否满足目标函数或（8）关系，若不满足，以各结点Q替代Qc，重新计算Qx和各结点Q，以此类推经多次迭代直至满足式（8）关系为止。

3.3 洪峰修正

由洪量分配并经洪水放大的分区洪水，组合后在峰值附近洪水过程，通常与设计洪水过程不吻合，尤其是控制地点设计洪水是以峰、量同频控制放大的情况下，相差更甚。由于各分区洪水中除了与控制地点采用峰、量同频设计的分区外，其它分区洪水的峰值是不确定的，或者说是可调整的，故可以通过修正各非同频设计分区洪水的洪峰值，并带动峰尖附近的洪水过程改变，以达到组合洪水和设计洪水两者吻合的目的。在分区较多的情况下，由于各分区洪水在组合地点峰尖相互交错，如何修正常无从下手。在工作中总结了一种方法，权且叫做峰值比重递修法，该法是比较合理有效和实用的。

基本思路是，在修正各分区洪水洪峰值时，是以组合洪峰Qz与设计洪峰Qp数差值△Q达到最小为目标，即以各分区洪峰分担△Q，因而洪峰值大的分区其修正值亦应大些；另外如果洪水组合时采用了洪水演算方法时，各分区至控制地点的洪水传播时间越长，其河道调蓄作用越大，对峰值变化的影响越大，故以各分区洪峰值和传播时间的权重关系作为各分区洪峰的修正系数R。修正后将各分区洪水演进或平移至控制地点，进行组合，计算△Q，判断洪峰误差率是否在规定范围，如若不然，继续修正，直到误差在规定范围内。

4 举例

石佛寺控制地点位于辽河中下游，其右侧支流清河、柴河、范河上建有4座水库，根据洪水组成特性和工程状况，将石佛寺以上分为5个洪水分区，即南城子水库、清河水库、柴河水库、榛子岭水库和四库至石佛寺区间。按四库至石佛寺区间与控制地点石佛寺同频设计，各水库分区相应的组成方案进行分析，用1953年洪水作为典型年，控制地点和各分区地点均按洪峰，3 d,7 d,13 d洪量分段同控制放大设计洪水过程线。洪水组合时采用典型年的洪水演进参数进行演进组合。计算结果如下。

表1列出了典型年洪水特征值和根据拟定地区洪水组成方案，并按动态平衡原则计算了RQ，RS等系数。

表1 1953年典型洪水计算表

分区洪水的推求与修正结果及组合洪水与设计洪水比较见表2及图2、图3。

5 思考与结论

流域设计洪水地区组成分析计算中常遇到的问题是上游洪水与区间的洪水过程组合成果与下游控制地点很难吻合的情况，通过上述的方法可以基本达到全区组合洪水过程线与下游控制点的组合过程线相吻合，组合洪水与下游控制地点设

表2 分区洪水分配及修整计算表

图2 组合洪水与设计洪水参照图（P=10%）

计洪水相比，设计洪峰、设计洪量基本可以达到一致，两者洪水过程的偏差基本控制在可以接受的范围以内，方法可以实现流域成果的平衡，一般能够达到满意的效果。

［1］周彦红.中小流域设计洪水计算方法［J］.吉林水利，2014（21）：60-60.

［2］周红莲.小流域设计暴雨洪水若干问题的探讨［J］.海河水利，1994（1）：15-21.

TV122+.3 < class="emphasis_bold"> ［文献标识码］B

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1002—0624（2017）12—0042—03

2017-05-31