張藝

不連續(xù)序列的水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分析

張藝

（新疆昌吉水文勘測(cè)局，新疆昌吉831100）

通過(guò)分析軍塘湖河紅山水庫(kù)時(shí)段平均流量資料，對(duì)比采用頻率分析計(jì)算法、洪峰洪量模數(shù)法和調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)單位線法三種方法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水的時(shí)段洪量和洪峰流量，選出最優(yōu)方法，并對(duì)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果的合理性進(jìn)行了分析，可為類似研究提供借鑒。

水庫(kù)；設(shè)計(jì)洪水；頻率分析；洪水過(guò)程線

1 軍塘湖河水文概況

軍塘湖河昔日稱雀爾溝河，又稱圖古里克河，位于天山西段新疆呼圖壁縣境內(nèi)，發(fā)源于天山北坡呼圖壁河流域中山帶[1]。上游水系在低山帶納札爾匯集，匯流隨后經(jīng)流域西部前山丘陵進(jìn)入平原區(qū)。流域面積1210 km2，其中紅山水庫(kù)以上面積為860 km2。

軍塘湖河于1956年10月曾設(shè)立軍塘湖水文站，1958年1月撤銷。從源頭至紅山水庫(kù)段，河長(zhǎng)47 km，東西溝兩大支流匯合口以上河道縱坡降為61.5‰，匯合口以下至紅山水庫(kù)河道縱坡降為51.6‰，流域平均高程1503 m。紅山水庫(kù)承擔(dān)調(diào)節(jié)下游灌區(qū)用水任務(wù)，多年平均徑流量0.389億m3。軍塘湖河流域?qū)俑珊祬^(qū)，河流水文特征明顯，河流出山口以上為徑流形成區(qū)，河流出山口以下為徑流散失區(qū)。流域土質(zhì)類型主要有棕鈣土、山地栗鈣土、灰鈣土和灌溉棕鈣土等，植被類型以琵琶柴、苔草狐茅、梭梭、鐵桿蒿等為主。

表1 流域附近氣象站氣象特征統(tǒng)計(jì)表

2 設(shè)計(jì)洪峰流量及時(shí)段洪量

2.1 頻率分析計(jì)算法

軍塘湖河1978年～2002年25年洪水資料中，缺失1979年洪水資料，為計(jì)算精度得以保證，最后采用1980年～2002年23年實(shí)測(cè)資料系列進(jìn)行計(jì)算。軍塘湖河1988年142 m3/s，2001年調(diào)查的洪峰流量為719 m3/s，1988年和2001年時(shí)段平均最大流量分別為46.2 m3/s和558 m3/s。

當(dāng)系列加入特大值，不連序系列頻率計(jì)算時(shí)，特大值的經(jīng)驗(yàn)頻率按式（1）計(jì)算。剔除特大值后的連序系列按式（2）計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率[2]：

式中：M為特大值排序；L為連序系列中特大值個(gè)數(shù)；N為特大值重現(xiàn)期；a為特大值個(gè)數(shù)。

對(duì)于不連序系列，各階樣本矩及統(tǒng)計(jì)參數(shù)的計(jì)算公式為[3]：

式中：xˉ為系列均值，單位m3/s、104m3；N為調(diào)查考證期；n為實(shí)測(cè)洪水系列年數(shù)；l為實(shí)測(cè)洪水系列中抽出作特大洪水處理的洪水個(gè)數(shù)；xi為實(shí)測(cè)洪水的第i位洪水；xj為實(shí)測(cè)洪水的第j位洪水；CS為洪水系列偏差系數(shù)；Cv為洪水系列偏態(tài)系數(shù)[4]。

造成計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量成果偏小的原因是紅山水庫(kù)時(shí)段平均流量資料利用時(shí)段最大平均流量代替瞬時(shí)洪峰流量[5]。為消除用時(shí)段平均最大流量計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量可能帶來(lái)的成果偏小問(wèn)題，將2001年調(diào)查洪水的洪峰流量和時(shí)段平均洪量作特大值處理，并將1988年和2001年兩次調(diào)查的洪峰流量加入頻率分析計(jì)算，其重現(xiàn)期為47年。軍塘湖河洪峰流量及時(shí)段洪量系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，設(shè)計(jì)洪峰流量及時(shí)段洪量計(jì)算成果見(jiàn)表3。

2.2 調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)單位線法

原軍塘湖河水文站僅1956年10月建站至1958年1月撤站期間一年多的實(shí)測(cè)洪水資料。，紅山水庫(kù)管理站無(wú)降水資料，在這種情況下筆者依據(jù)軍塘湖河所處地理位置及氣候條件與呼圖壁河、塔西河比較相似，利用調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)單位線法借用呼圖壁河石門站及塔西河石門子站實(shí)測(cè)最大一日降水量資料系列，進(jìn)行最大一日降水量頻率計(jì)算，推求不同設(shè)計(jì)頻率最大一日降水量。

2.3 洪峰、洪量模數(shù)法

借用鄰近呼圖壁河流域石門站的洪水資料，通過(guò)頻率計(jì)算，分別得到不同設(shè)計(jì)頻率的洪峰、洪量模數(shù)，然后用軍塘湖河紅山水庫(kù)集水面積乘石門站洪峰、洪量模數(shù)，計(jì)算得軍塘湖河紅山水庫(kù)設(shè)計(jì)洪峰及時(shí)段洪量，成果見(jiàn)表5。

3 設(shè)計(jì)洪水成果分析

根據(jù)以上分析計(jì)算，軍塘湖河由三種方法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果出入較大，現(xiàn)對(duì)幾種方法進(jìn)行綜合分析比較如下：

利用呼圖壁河石門站和塔西河石門子站實(shí)測(cè)最大一日降水量資料，以經(jīng)驗(yàn)單位線法推算所得軍塘湖河設(shè)計(jì)成果，由于與軍塘湖流域降水特性不同，所以最后計(jì)算成果偏??；用呼圖壁河石門站資料，采用洪峰、洪量模數(shù)法計(jì)算成果，成果精度較高，但與該河現(xiàn)有洪水實(shí)際情況相比，相差甚遠(yuǎn)；對(duì)紅山水庫(kù)時(shí)段平均流量資料進(jìn)行頻率計(jì)算，計(jì)算成果出現(xiàn)較大偏差，分析時(shí)由于平均流量觀測(cè)時(shí)段的長(zhǎng)短不同，沒(méi)有將時(shí)段最大平均流量還原為瞬時(shí)洪峰流量造成的，計(jì)算方法上雖然加入2001年洪水，但由于洪峰流量系列資料精度較低，所以不適合評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)洪峰流量成果精度。

3.1 設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線

采用按洪峰流量及時(shí)段洪量同頻率放大法放大設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線，計(jì)算軍塘湖河設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線，洪峰流量過(guò)程線歷時(shí)120 h。軍塘湖河洪水資料系列較短的實(shí)際情況，在確定典型洪水過(guò)程線時(shí)，優(yōu)先考慮峰高量大、稀遇程度較高的大洪水過(guò)程；為使所選擇的典型洪水過(guò)程線具有一定的代表性，兼顧考慮了軍塘湖河的洪峰流量特性，典型洪水過(guò)程線均挑選于水文站實(shí)測(cè)洪水過(guò)程。

表2 軍塘湖河設(shè)計(jì)洪水系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)成果表

表3 頻率分析計(jì)算法設(shè)計(jì)洪峰流量和時(shí)段洪量計(jì)算成果表

表4 調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)單位線法設(shè)計(jì)洪峰流量和時(shí)段洪量計(jì)算成果表

表5 洪峰、洪量模數(shù)法設(shè)計(jì)洪峰流量及時(shí)段洪量計(jì)算成果表

圖1 軍塘湖河設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線

3.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果合理性分析

圖2 軍塘湖河設(shè)計(jì)時(shí)段平均流量與歷時(shí)關(guān)系

圖3 不同時(shí)段洪量系列Cs與歷時(shí)關(guān)系

圖4 不同時(shí)段洪量系列Cv與歷時(shí)關(guān)系

軍塘湖河紅山水庫(kù)設(shè)計(jì)洪峰流量及時(shí)段洪量計(jì)算，由于軍塘湖河計(jì)算斷面資料條件有限，在分析計(jì)算中，采用多種不同方法計(jì)算以減少資料系列方面的不足。從軍塘湖河設(shè)計(jì)時(shí)段平均流量與歷時(shí)的關(guān)系圖中可見(jiàn)看出，不同頻率下各曲線位置無(wú)突出偏離，曲線之間互不交叉，平均流量隨著歷時(shí)的不斷增加逐漸減小，Cv、Cs統(tǒng)計(jì)參數(shù)值隨著歷時(shí)的增加遞減，符合軍塘湖河洪水及產(chǎn)、匯流特性，也是是河流洪峰流量特性的體現(xiàn)[6]。

4 結(jié)論

通過(guò)分析20多年的紅山水庫(kù)平均流量資料得出，日平均流量數(shù)據(jù)的可靠程度較好，數(shù)據(jù)可以分析計(jì)算不同時(shí)段洪量。但是由于現(xiàn)有的紅山水庫(kù)洪峰流量是由觀測(cè)時(shí)段出庫(kù)流量和庫(kù)水位變化反推求得，誤差較大。文章分別采用頻率分析計(jì)算法、調(diào)蓄經(jīng)驗(yàn)單位線法和洪峰、洪量模數(shù)法三種不同方法，推求和估算軍塘湖河設(shè)計(jì)洪峰流量，發(fā)現(xiàn)頻率分析計(jì)算法計(jì)算成果最為接近實(shí)際情況。軍塘湖河設(shè)計(jì)時(shí)段平均流量與歷時(shí)的關(guān)系曲線位置無(wú)突出偏離，曲線之間且互不交叉，平均流量隨著歷時(shí)的不斷增加逐漸減小，Cv、Cs統(tǒng)計(jì)參數(shù)值隨著歷時(shí)的增加遞減，符合軍塘湖河洪水及產(chǎn)、匯流特性。

[1]韓露,岳春芳,張勝江,等.基于總量控制的軍塘湖流域農(nóng)業(yè)水資源配置[J].節(jié)水灌溉,2015(10):71-73.

[2]龐瓊,陳鳴,王士軍,等.基于回歸分析的龍門灘水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算[J].人民黃河,2013(12):37-40.

[3]張明芳,邢波.大中型水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法探討[J].山東水利, 2011(3):29-30.

[4]韓煥慶,劉巍,于蓉.基于流域分割的泰安市勝利水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算[J].人民長(zhǎng)江,2012(S1):147-149.

[5]陳建江,耿峻嶺,邱建華,等.新疆頭屯河水庫(kù)入庫(kù)設(shè)計(jì)洪水的確定[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2008,19(6):129-132.

[6]石春梅,徐婷,許立軍,等.山區(qū)攔河水庫(kù)洪水計(jì)算研究[J].內(nèi)蒙古水利,2016(3):5-6.

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2016-11-24

張藝（1980-），女，新疆昌吉人，工程師，主要從事水質(zhì)分析、水文勘測(cè)工作。