等雨量線法在中小流域設(shè)計(jì)洪水面暴雨計(jì)算中的工程應(yīng)用探討

謝 勇，王巧霞，曹立志

(1.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，成都，610065；

2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611231)

1 引言

面雨量是指一定時(shí)段內(nèi)一定面積上的平均降水量，能夠客觀反映整個(gè)區(qū)域降水情況，是中小流域暴雨洪水計(jì)算的重要參數(shù)。

設(shè)計(jì)流域面雨量計(jì)算公式為：

利用常規(guī)雨量資料估算面雨量主要有等雨量線法、泰森多邊形法、算術(shù)平均法、反距離加權(quán)法和逐步格點(diǎn)訂正法等多種方法，每種方法有其優(yōu)點(diǎn)和適用范圍，同時(shí)也存在各自的局限性[1-2]。

表1 面雨量計(jì)算方法優(yōu)缺點(diǎn)

2 工程應(yīng)用探討

2.1 流域概況

某工程位于四川省涼山州東部三灣河流域，三灣河是昭覺(jué)河一級(jí)支流，金沙江二級(jí)支流，發(fā)源于力比少哈山脈東麓，在昭覺(jué)縣城南3km處匯入昭覺(jué)河。工程地點(diǎn)以上流域面積565.9km2，河長(zhǎng)47.1km，比降14.5‰。區(qū)域內(nèi)地形起伏大，地貌復(fù)雜多樣，高山區(qū)荒無(wú)人煙，水文氣象長(zhǎng)期觀測(cè)站點(diǎn)稀疏，且分布于工程流域之外。

2.2 面暴雨計(jì)算方法討論

根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》(簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》)，無(wú)實(shí)測(cè)流量資料時(shí)，可采用暴雨洪水計(jì)算成果，流域面積一般在1000km2以內(nèi)。《手冊(cè)》中推薦的設(shè)計(jì)面暴雨計(jì)算有三種方法。

2.2.1 繪制概化雨圖

根據(jù)設(shè)計(jì)流域所在的分區(qū)和地形條件，選定某一典型暴雨雨圖的軸向，求出不同面積概化雨圖的長(zhǎng)短半徑以及相應(yīng)的等雨深值，繪制設(shè)計(jì)歷時(shí)的概化雨圖，按面積加權(quán)計(jì)算流域平均雨量。應(yīng)注意所選的典型雨圖與設(shè)計(jì)流域之間不應(yīng)有高大山體阻擋且不宜相距太遠(yuǎn)。

2.2.2 查算分區(qū)綜合暴雨時(shí)面深關(guān)系

設(shè)計(jì)流域不超出“使用上限面積”，且流域的形狀和方位與所在分區(qū)內(nèi)綜合雨圖的形狀方位一致或相差甚微；或者設(shè)計(jì)流域的面積很小而形狀接近圓形或等邊形時(shí)，所計(jì)算的面平均雨量有一定代表性，否則將會(huì)產(chǎn)生比實(shí)際雨量偏大的情況，應(yīng)使用概化雨圖的方法計(jì)算面雨量。

2.2.3 修正系數(shù)法推求

繪制雨圖操作繁瑣，可以用面折減系數(shù)修正分區(qū)綜合暴雨時(shí)面深關(guān)系，概化處理推求面暴雨。由于不同流域面積形狀和選用典型暴雨雨圖軸向的不同，概化雨圖計(jì)算的面平均雨量會(huì)有較大差異，流域面積在500km2以內(nèi)為宜。如計(jì)算中選用的典型暴雨雨圖軸向與統(tǒng)計(jì)分析中已選用的典型暴雨差別較大時(shí)，即使在500km2以內(nèi)也宜繪制概化雨圖計(jì)算[3]。

選定工程流域附近最優(yōu)暴雨雨圖軸向，分別繪制100km2、300km2、500km2、700km2、1000km2概化橢圓雨圖，典型雨圖與設(shè)計(jì)流域之間有高大山體阻擋、相距太遠(yuǎn)，重合部分極少；在綜合分區(qū)圖中，工程流域?qū)儆冖?(金沙江下段)，6h面深關(guān)系的使用上限面積為60km2，24h面深關(guān)系的使用上限面積為70km2，工程流域超出“使用上限面積”；修正系數(shù)法推求面暴雨時(shí)，流域面積在500km2以內(nèi)為宜，而設(shè)計(jì)流域565.9km2。綜上，《手冊(cè)》中推薦的三種設(shè)計(jì)面暴雨計(jì)算方法均超出使用條件，工程應(yīng)用受限。

2.3 等雨量線法面暴雨計(jì)算

2010年審定出版的《四川省暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集》提供暴雨洪水計(jì)算需要的10min、1h、6h、24h等短歷時(shí)點(diǎn)雨量等值線成果。由于工程流域內(nèi)無(wú)雨量測(cè)站，工程流域外雨量測(cè)站稀疏且分布不均勻，利用常規(guī)雨量資料估算面雨量常用方法中，考慮工程流域特點(diǎn)、各方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，以及暴雨洪水計(jì)算資料情況，本文采用等雨量線法計(jì)算面暴雨。

等雨量線法計(jì)算公式為：

圖1 工程流域24h暴雨等值線分布

表2 流域面暴雨計(jì)算成果

2.4 成果驗(yàn)證

目前國(guó)內(nèi)外的面雨量檢驗(yàn)比較方法主要有兩個(gè)方向。比較常見(jiàn)的是利用觀測(cè)降水建立雨量插值模型，然后將未參與建模的觀測(cè)值與該點(diǎn)的插值結(jié)果進(jìn)行比較來(lái)檢驗(yàn)。另外一種常用的驗(yàn)證面雨量準(zhǔn)確性的方法是將計(jì)算結(jié)果提供給水文模型，并將模型計(jì)算流量結(jié)果與實(shí)況觀測(cè)比較[4]。

昭覺(jué)河干流上有昭覺(jué)水文站，控制流域面積650km2，工程流域占比87%，可以采用水文比擬法計(jì)算洪水。故本文采用面暴雨成果提供給推理公式進(jìn)行暴雨洪水計(jì)算，將洪水計(jì)算成果與水文比擬法比較，間接檢驗(yàn)面暴雨計(jì)算的合理性。推理公式法計(jì)算時(shí)，其他流域參數(shù)均不變，僅輸入不同方法計(jì)算的面暴雨，計(jì)算成果主要受面暴雨影響。

表3 三灣河流域洪水計(jì)算成果

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用等雨量線法面暴雨推求洪水和水文比擬法成果量級(jí)相當(dāng)，低頻率洪水略大，高頻率洪水略?。欢謪^(qū)綜合暴雨時(shí)面深關(guān)系和修正系數(shù)法面暴雨推求洪水成果特別小，各頻率洪水均比水文比擬法成果小30%以上。綜合分析工程流域地理特征和各種方法的使用范圍，等雨量線法應(yīng)用較好，洪水成果與水文比擬法接近，應(yīng)用于工程實(shí)踐可行。

2.5 推廣運(yùn)用

為了進(jìn)一步驗(yàn)證等雨量線法面暴雨推求洪水成果的可靠性，應(yīng)用于湖南省長(zhǎng)沙市麻林河流域。某工程地點(diǎn)以上集雨面積166.4km2，河長(zhǎng)24.7km，比降1.0‰。將等雨量線法面暴雨推求設(shè)計(jì)洪水結(jié)果與水文比擬法設(shè)計(jì)洪水結(jié)果同列于表5。

表5 麻林河流域洪水計(jì)算成果

計(jì)算成果表明，等雨量線法面暴雨推求洪水成果可達(dá)到工程應(yīng)用精度。綜上，中小流域設(shè)計(jì)洪水面暴雨計(jì)算作如下應(yīng)用推廣：

(1)工程流域面積較小時(shí)，四川地區(qū)不大于25km2，直接采用點(diǎn)雨量代替面雨量。

(2)工程流域面積較大時(shí)，建議增加等雨量線法計(jì)算面暴雨。

3 結(jié)論

中小流域暴雨洪水計(jì)算，當(dāng)流域內(nèi)可用的雨量站點(diǎn)稀少、分布不均勻時(shí)，可采用暴雨參數(shù)圖集研究成果查算短歷時(shí)點(diǎn)暴雨，運(yùn)用等雨量線法推算設(shè)計(jì)流域面暴雨。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，等雨量線法計(jì)算工作效率大幅提高，精度滿足工程應(yīng)用要求。

流域降雨是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，且由于流域面雨量是推導(dǎo)量，缺乏來(lái)自真實(shí)值的直接驗(yàn)證，關(guān)于流域面雨量計(jì)算的檢驗(yàn)以及各種計(jì)算方法的比較一直是個(gè)難題。工程實(shí)踐中，應(yīng)采用多種方法、多種手段對(duì)比分析綜合取值。