无实测资料断面设计洪水推求方法探讨

许继良 徐 慧

（1. 浙江省水利水电勘测设计院 杭州 310002；2. 常山县水利局 浙江衢州 324200）

1 问题的提出

对于无实测资料断面设计洪水，小流域洪水一般采用地区暴雨洪水综合法，较大流域洪水通常采用面积指数法（流量法）推求设计洪水。实际运用中，由于受水文测站分布等因素影响，仅采用传统水文学方法推求无实测资料断面设计洪水，其参数的率定、验证通常较为困难，对设计成果精度影响较大。

某流域河长141km，流域面积2436km2。分大、小两源，主源集水面积1376km2，支源集水面积 644km2。大、小两源汇合口下游的沙头镇集水面积约2140km2，其断面设计洪水的准确性关乎到下游县城核心区域防洪安全。

沙头断面无水文站实测流量资料，主源设有石柱水文站，控制流域面积 1273km2，自 1956年有实测流量资料，同时有1853、1905、1920、1922年等历史洪水资料。支源设有碧莲站，控制流域面积 433km2，实测流量资料系列为1957～1993年，同时有1912、1920年等历史洪水资料。以往规划设计中均采用面积指数法推求沙头断面设计洪水，以石柱水文站作为参证站，面积指数采用经验指数0.8，20年一遇沙头断面设计洪峰流量约为 12000m3/s。该设计成果被普遍运用于下游防洪工程的规划设计中。从水文设计角度而言，该方法符合我省以往水文设计经验，具有一定的科学性。但由于断面无实测资料，且设计断面控制流域面积与参证站控制流域面积相差较大，面积指数按省经验指数选取，对设计成果准确性可能带来一定的影响。

本文试通过水文、水力学结合分析方法，充分利用石柱水文站、碧莲水文站实测流量资料，以及区间各降雨站降雨资料，通过构建水文、水动力耦合模型，将无实测资料的沙头断面水文设计模型拓展至有实测资料的上塘潮位站水文、水动力耦合设计模型，以上塘潮位站实测水位对设计模型进行率定、验证，从而求得沙头设计断面历史洪峰过程，再以传统的水文统计方法求得沙头断面各设计频率洪峰过程。

2 流域基本资料

2.1 水文站

流域主源上有石柱水文站，支源上有碧莲水文站。两站于 1956年设立，进行水位、流量、降水、泥沙等项目观测，流域面积分别为1273km2和 433km2。

2.2 降水量站

设计流域内降水量站有上塘、潭头、里樟等站，各降水量站统辖于浙江省水文勘测局，观测资料经统一整编、校对，精度可靠，可作为工程设计的基本资料。同时，各降水量站域内分布基本合理，基本反映设计流域的降水特性，为工程设计提供了可靠的依据。

2.3 水位站

域内设计断面沙头镇下游设有上塘潮位站，拥有近 20年水位观测资料，可作为计算分析工作的验证站。各测站分布情况见图1。

图1 流域水系测站分布图

3 分析方法及成果

本文通过构建水文水动力耦合计算模型，以有实测资料的碧莲站及石柱站作为水动力模型上边界，河口潮位站作为计算下边界，区间小流域设计洪水采用传统的水文暴雨推求洪水模型与水动力模型进行耦合，利用设计断面下游上塘站实测水位作为耦合模型率定、验证数据，计算历史沙头洪水，再辅以传统水文统计方法推求沙头断面各频率设计洪水。该方法一定程度上解决了无实测资料断面推求设计洪水参数选用及模型率定、验证问题。

3.1 水文模型参数率定及验证

本文选用碧莲有实测资料的，距今时间较近，洪峰流量较大的1987年及1992年两场较大洪水对水文模型进行率定、验证。验证成果见图2，图 3。

3.2 水动力计算模型率定

对河道水动力计算模型采用 2004年云娜台风洪水为验证洪水，模拟成果见表1.

由表1结果可得，各特征点实测水位与模型计算水位差均在 0.1m以内，模拟精度较好，计算模型所采用的特征参数可用于成果计算。

3.3 耦合模型计算验证

采用上述经参数率定后的计算模型，对1961～2009年大洪水进行模拟，为去除初值计算带来的影响，使得计算尽量符合实际发生情况，选用较大洪水，采用永嘉县上塘水位站有实际观测的水位对计算成果再次进行验证、比较，成果见表2。由表2成果可得，采用水文水动力耦合计算模型模拟历史各场较大洪水，用上塘水位站实测水位进行验证对比，各场洪水计算值与实测值差距均在0.3m以内，说明模型对流域产、汇流模拟较好。

图2 1987年模型率定成果对比图

图3 1992年模型验证成果对比图

表1 云娜台风洪水实测、计算水位对比表 单位：m

3.4 沙头设计洪水推求

计算得到的沙头断面设计历史年最大洪峰流量成果见表3。对1960～2009年沙头段面流量进行适线，成果见图4。各频率洪峰流量见表4。

表2 历年上塘水位站水位与计算水位对比成果表 单位：m

表3 1960～2009年沙头断面计算最大洪峰流量成果表 单位：m3/s

图4 沙头断面流量适线图

表4 沙头断面各频率洪峰流量成果表

由于水文水动力计算耦合模型考虑了石柱、碧莲水文站实际发生洪峰的错时，水文站以下河道对洪水的坦化作用以及河口潮位的顶托作用，又以能够掌握的各种实测数据对模型进行了率定、验证，其所计算出来的沙头流量基本能反映实际发生的流量过程。

经分析，沙头断面20年一遇流量9230m3/s，50年一遇洪峰流量11200m3/s，100年一遇洪峰流量12700m3/s，300年一遇洪峰流量14900m3/s。相比传统面积指数法求得的沙头断面洪峰流量，以20年一遇洪峰流量为例，小约20%。

4 结语

在推求无实测资料设计洪水时，单纯以水文学方法，受流域测站分布等因素制约，其参数率定、验证较为困难，给设计成果带来了更多的不确定性。本文提出构建流域水文水动力耦合模型的设计思路，将流域水文站、河道、参证站等要素通过模型结合起来，推求设计断面历史洪水，再辅以水文统计方法推求设计洪水的思路，经某流域断面设计洪水项目验证，被证明具有相对较高的精度，可为今后类似情况洪水设计提供一种设计思路。

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