甘肃省水文图集法设计暴雨洪水误差分析

戚小龙

(甘肃省庆阳水文水资源勘测局，甘肃 西峰 745000)

在涉水工程规划设计、城乡防汛等工作中都要进行洪水计算，由于大多数中小流域缺乏实测水文资料，长期以来业界基本上都是以设计暴雨推求设计洪水。自上世纪八十年代末开始，甘肃省主要使用《甘肃省暴雨洪水图集》法计算中小流域设计暴雨和设计洪水，2004年后，个别部门在使用《甘肃省暴雨洪水图集》时，还以《甘肃省暴雨特性研究》为计算设计暴雨的辅助资料。《甘肃省暴雨洪水图集》由甘肃省水利厅编制，出版于1988年，支撑《甘肃省暴雨洪水图集》的水文资料系列截止于1984年。《甘肃省暴雨特性研究》由甘肃省水文水资源勘测局编写，成书于2004年，所依赖的资料系列截止于1997年。前者距今已过去30多年，后者也有20年了。本文拟以泾河水系汭河支流石堡子河流域为代表流域，分别利用实测雨洪资料、《甘肃省暴雨洪水图集》和《甘肃省暴雨特性研究》计算百年一遇面雨量及洪峰流量，然后根据其成果误差情况，讨论《甘肃省暴雨洪水图集》和《甘肃省暴雨特性研究》已不能准确反映流域水文特征。代表流域位于甘肃省华亭县东华乡峡口以上，面积274 km2。

1 雨洪资料一致性分析

选取在代表流域内面上分布较均匀、降水资料系列相对完整的华亭、王寨、赵庄和孟家台4个雨量站为代表雨量站，以华亭水文站为代表水文站，分别对各雨量站30 min、1 h年最大降水量和水文站年最大洪峰流量作Mann-Kendall法趋势检验和突变分析，成果(仅以华亭站为例)见表1和图1、图2、图3。

表1 华亭站降水及径流资料Mann-Kendall检验成果表

Mann-Kendall检验成果(显著性水平α取0.05)表明，各站点30 min、1 h年最大降水量有微弱减小趋势，减小程度不明显，华亭站年最大洪峰流量也呈减小趋势，减小程度明显。

图1 年最大30 min降水量Mann—Kendall统计量曲线图

图2 年最大1 h降水量Mann—Kendall统计量曲线图

图3 年最大洪峰流量Mann—Kendall统计量曲线图

图1与图2中UF与UB线多次相交，说明年最大30 min和1 h降水量多次出现突变，两图UF线都在1997年后出现大幅度下降趋势。降水序列的突变是大环境因素(如区域甚至全球气候变化等)引起的，可以肯定地说，在特定的小流域人类活动对降水量的影响有限，因此，可认为本研究区降水资料序列具有一致性。

图3中UF与UB线在有效区域内没有相交，说明年最大洪峰流量的年际变化过程没有发生突变，即人类活动对研究区洪峰流量的影响暂不明显；时段降水量的减小是洪峰流量减小的主要原因；1997年后时段降水量减小幅度变大，导致最大洪峰流量出现明显减小趋势。由此可以认定，研究区洪峰流量和降水资料具有时间序列一致性。

2 设计面雨量计算

2.1 利用实测资料计算

分别对各雨量站年时段最大降水资料做P-Ⅲ型配线，得到各雨量站各时段1%点雨量，见表2。

表2 各雨量站时段点雨量与代表流域面雨量统计表

使用ArcGIS软件，对各雨量站1%时段点雨量以反距离加权方法(Inverse Distance Weighted，IDW)进行空间插值，得到代表流域200 m分辨率的1%时段雨量空间栅格数据，再以代表流域边界图作为掩膜，提取代表流域的面雨量，成果见表2。

2.2 利用《甘肃省暴雨洪水图集》计算

根据《甘肃省暴雨洪水图集》中最大10 min、30 min、1 h、6 h、24 h降雨量均值及Cv等值线图计算代表流域面雨量，具体计算过程见表3，其中流域重心处3 h点雨量为1 h、6 h雨量插补值。

2.3 利用《甘肃省暴雨特性研究》计算

根据《甘肃省暴雨特性研究》中最大10 min、1 h、6 h、24 h降雨量均值及Cv等值线图计算代表流域面雨量，具体计算过程见表4，其中流域重心处3 h点雨量为1 h、6 h雨量插补值。

3 设计洪峰流量计算

3.1 利用实测资料计算

对华亭水文站年最大洪峰流量序列资料做P-Ⅲ型配线，得到研究区1%洪峰流量为336 m3/s，见图4。

3.2 利用《甘肃省暴雨洪水图集》计算

依据泾河区主雨峰为3 h的综合雨型分配表做24 h雨型分配，再结合六盘山土石山区平均入渗率表，计算出1%暴雨净雨量h为45.6 mm，产流历时tc为3 h。

使用六盘山土石山植被一般区推理公式法参数公式计算θ和m：

θ=L/J1/3=31.8/0.0181/3=121.34，m=0.1θ0.384= 0.631 3

利用公式Qt=0.278 Fht/t和τ=0.278L/(mJ1/3Qt1/4)构建两个数据系列，绘图成果见图5，2线相交处流量即1%洪峰流量Qm=261 m3/s。

表3 流域1%时段面雨量计算表

表4 流域1%时段面雨量计算表

图4 年最大洪峰流量P-Ⅲ型曲线图

图5 推理公式图解法求洪峰流量

时段实测甘肃省暴雨洪水图集甘肃省暴雨特性研究1%面降水量/mm1%面降水量/mm相对误差/%1%面降水量/mm相对误差/%10m29．424．6-16．125．6-12．930m57．149．3-13．61h59．457．6-3．145．5-23．53h68．283．121．967．0-1．66h77．4104．935．585．810．824h146．6141．6-3．4115．5-21．2

3.3 利用《甘肃省暴雨特性研究》计算

用表4中1%时段面雨量成果重复本文3.2节计算过程，得到研究区《甘肃省暴雨特性研究》法洪峰流量计算成果，见图6，2线相交处流量即1%洪峰流量Qm=170 m3/s。

4 结语

以用实测资料计算的成果为标准，分别计算2种图表法成果的相对误差，见表5和表6。

图6 推理公式图解法求洪峰流量

实测甘肃省暴雨洪水图集甘肃省暴雨特性研究1%洪峰流/m3/s量1%洪峰流量/m3/s相对误差/%1%洪峰流量/m3/s相对误差/%33626122．317049．4

从表5可看出，2种图表法10 min设计雨量误差都比较大，且《甘肃省暴雨洪水图集》法误差较《甘肃省暴雨特性研究》法为大；1 h设计雨量《甘肃省暴雨洪水图集》法误差较小，而《甘肃省暴雨特性研究》法偏小23.5%；3 h设计雨量《甘肃省暴雨特性研究》法误差较小，而《甘肃省暴雨洪水图集》法偏大21.9%；6 h设计雨量《甘肃省暴雨特性研究》法偏大10.8%，而《甘肃省暴雨洪水图集》法偏大35.5%；24 h设计雨量《甘肃省暴雨洪水图集》法误差较小，而《甘肃省暴雨特性研究》法偏小21.2%。总体来说，2种图表法设计雨量的精度都比较低。表6中，《甘肃省暴雨洪水图集》法洪峰流量误差达22.3%，而《甘肃省暴雨特性研究》法误差高达49.4%，2种图表法设计流量精度非常低。由此看来，《甘肃省暴雨洪水图集》和《甘肃省暴雨特性研究》已不能准确反映流域水文特性，为此有关单位应对其进行修编、修订，这一工作十分紧迫。

[1]张淑兰，王彦辉，等.人类活动对泾河流域径流时空变化的影响[J]. 干旱区资源与环境.2011.25(6):66-72.