结合实测降雨资料推求无资料地区洪水方法研究

成丽婷

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

0 引言

推求设计洪水的方法很多，结合山西省产流、汇流特点，暴雨洪水资料条件，人类活动状况及实践经验，由山西省水利厅2010年编制的《山西省水文计算手册》[1]（以下简称《山西省手册》）提供了三种方法，分别为根据流量资料计算设计洪水、根据设计暴雨计算设计洪水和水文比拟法推求设计洪水，依据涉水工程的规模、重要性、流域资料条件等，选用不同的方法。第一种方法为有资料地区的洪水推求方法，后两种方法为无资料地区的洪水推求方法。

根据设计暴雨计算设计洪水的方法，从设计暴雨到流域产流计算再到流域汇流计算，均采用洪水计算模型进行计算，见图1。而在实际工作中，有些地区虽然无实测流量资料但是具备实测降雨资料，本文旨在研究一种结合实测降雨资料与洪水计算模型产汇流计算方法来推求设计洪水的方法，见图1，并应用于西塬湖水库洪水分析计算中，以期使洪水计算结果更合理。

图1 洪水计算流程图

1 计算方法

结合实测降雨资料与洪水计算模型产汇流计算方法来推求设计洪水，具体来讲，即通过实测降雨资料分析来替代洪水计算模型的设计暴雨分析，而后利用洪水计算模型中的产汇流计算方法推求设计洪水。

1）实测降雨资料分析

收集设计断面长系列逐日降水量及逐时段降水量资料。

查阅水文年鉴及相关资料，分析典型年1日降雨与24 h降雨量倍比关系。通过长系列逐日降水量资料统计历年最大1日、最大3日降雨量，并计算求得历年最大24 h降雨量。对最大1日降雨量、最大24 h降雨量、最大3日降雨量分别进行频率分析，获得设计断面暴雨频率分析成果。频率分析采用P-Ⅲ型曲线适线。

选取典型年，利用逐时段降水量资料，分时段统计降水量。

2）产流计算

流域产流计算又包括设计洪水净雨深和净雨过程计算两部分。根据1∶25万产流地类图确定产流地类。产流计算参数主要为持水度B0、吸收率Sr和导水率Ks。具体计算方法参见《山西省手册》7.3节。

3）汇流计算

根据1∶25万汇流地类图确定汇流地类。采用综合瞬时单位线、推理公式法两种方法进行计算。综合瞬时单位线汇流计算参数主要为汇流参数C1、C2。推理公式法计算参数主要为汇流参数m。具体计算方法参见《山西省手册》7.3节。

2 实例应用

1）工程概况

西塬湖水库位于运城市盐湖区，属涑水河流域。水库总库容6 632万m3，工程任务为缓洪排洪，兼顾水生态环境，水库防洪标准为50年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核，排洪设施为排洪泵站。

水库控制流域面积306.37 km2，包括四部分，其一是西塬湖水库南部山区片101.54 km2（共有7条山洪沟），其二是西塬湖水库周边农田片178.56 km2，其三是运城市主城区12.27 km2，其四是西塬湖水库水面面积14 km2。西塬湖水库除了接纳上述四部分面积的设计洪水之外，还要接纳来自运城市的城市污水10万m3/d，合计1.16 m3/s。本论文主要叙述上述四部分面积设计洪水的计算。

水库控制流域范围内无水文测站。本次设计搜集到运城站1954—2013年系列的暴雨资料，1974年山西省水文总站运城地区分站编著的《山西省运城地区水文计算手册》（以下简称《运城手册》）、《山西省清泉水流量调查成果》[2]。

2）实测降雨资料分析

（1）设计暴雨分析

查询水文年鉴及《运城手册》，摘录了1954年、1981年、1983年、1984年4场降雨，对比分析了1日降雨量与24 h降雨量，综合确定运城站最大24 h降雨量与最大1日降雨量的折算系数为1.10。

对收集的运城站1954—2013年共60年逐日降水量资料，统计历年最大1日、最大3日降雨量，并计算求得最大24h降雨量。对最大1日降雨量、最大24h降雨量、最大3日降雨量分别进行频率分析，采用P-Ⅲ型曲线适线。运城站频率分析成果见表1。

表1 运城站暴雨频率分析成果表

（2）典型年暴雨分析

由于西塬湖水库排洪泵站规模较小，连续暴雨对工程规模影响较大，选用典型年暴雨过程进行连续暴雨组合情况下的洪水进行分析计算，为合理确定工程规模提供水文依据。

选取典型年的原则:①具有代表性；②对工程不利；③暴雨量级与设计频率比较接近。根据以上原则选取了1982年作为典型年，1982年汛期共有4次较大量级的暴雨，场次暴雨间隔时间分别为4天、9天和13天；场（次）降水量分别为75.1mm、259.2mm、41.1mm和45.0mm；每次暴雨的持续时间分别为2天、6天、3天和4天。详见表2。

经统计，1982年最大3日降雨量为188 mm，自7月31日至8月2日。在7月31日之前，6月份降水74.2 mm，7月份降水159 mm。8月2日之后，8月4日、8月12日-8月13日、8月28日-9月3日分别降雨18.6 mm、40.6 mm、57.1 mm。

1982年最大3日降雨量为188 mm，相当于50年一遇最大3日降雨量。1954年-2013年实测降雨系列中无相当于100年一遇洪水的典型年，对1982年最大3日降雨量进行放大处理，放大倍比为1.07。

表2 西塬湖水库流域1982年典型暴雨过程表

3）产流计算

《山西省手册》流域产流计算中的设计洪水净雨深计算采用双曲正切模型，涉及产流计算参数主要为持水度B0、吸收率Sr和导水率Ks。吸收率Sr和导水率Ks，依据产流地类取值。B0为流域前期土湿标志（流域持水度），考虑到7月31日之前6、7月份降水较多达到233.2 mm，故计算7月31日之后降雨产流时，B0取 0.9。

整理1982年运城站降水摘录信息，依据《山西省手册》产流计算方法逐时段计算，求得50年一遇、100年一遇最大3日及最大3日之后连续降雨产生的洪量。

4）汇流计算

汇流计算针对不同的区域采用不同的方法，山区片采用综合瞬时单位线法；农田片依照暴雨3日排除计入，城市片依照暴雨1日排除计入，另叠加基流后，计算所得的各场次降雨50年一遇、100年一遇洪水过程线。

5）设计洪水成果合理性分析

本文还利用2种方法进行设计断面洪水推求:一是利用《山西省手册》，所有暴雨参数从《山西省手册》附图、附件查得；二是利用《运城手册》进行计算。将上述2种方法洪水结果与本次成果进行比较，分析成果合理性。

（1）设计暴雨计算结果对比

《山西省手册》设计暴雨计算是通过等值线查读获取定点的各种历时暴雨均值与变差系数；《运城手册》与本次计算设计暴雨计算是通过实测资料进行频率分析计算求得。最大24 h暴雨均值及Cv取值及各频率最大24 h暴雨值见表3，表中第2列数值为查阅《运城手册》附图所得。由表3可见不同方法参数取值及计算结果相接近，且与《运城手册》等值线图结果一致。表4列出最大24 h暴雨及最大3日不同频率设计暴雨结果对比，不同方法计算结果基本一致。

表3 最大24 h点暴雨计算结果对比表

表4 设计点暴雨计算结果对比表 单位：万m3

（2）设计洪量计算结果对比

采用《山西省手册》计算得到的50年一遇设计洪量为1 630万m3，100年一遇设计洪量为2 063万m3，设计洪量偏小，且洪水历时短暂，仅24 h洪量，无最大3日洪量。

考虑到工程安全性，长历时连续降雨对工程防洪影响比较大，本次设计选取了1982年作为典型年进行洪水分析，分别利用《运城手册》与本文计算方法计算。为了进一步分析设计洪水成果的合理性，同时计算求得设计年径流与两种方法计算结果进行比较，结果见表5。

由表5可知，两种方法中，《运城手册》计算结果偏大，这是因为《运城手册》产流计算采用的是运城地区暴雨径流关系，暴雨量一定，暴雨时段越长，径流系数越小，1982年自7月28日至8月2日共6日降雨259.2 mm，参照24 h径流系数进行计算，成果偏大。《运城手册》计算所得自7月28日至8月2日共6日降雨产生的100年一遇洪量为4 670万m3，50年一遇洪量为4 339万m3，分别大于100年一遇、50年一遇的设计年径流，不符合同频率的设计洪量小于设计年径流的规律。

表5 设计洪量计算结果对比表

本次计算典型年自7月31日至8月2日共3日降雨产生的100年一遇洪量为3 201万m3，50年一遇洪量为2 907万m3，基本符合同频率的设计洪量小于设计年径流的规律。虽然仅计算最大3日的洪量，但是在洪量计算时参数B0取0.9已经考虑了前期连续降雨对产流的影响。

综上所述，一方面，本次产流计算采用《山西省手册》中的双曲正切模型，方法可靠；另一方面，考虑到最大3 d降雨已基本上能够反映集中降雨对产流的影响，同时又兼顾前期连续降雨对产流的影响，洪水成果合理。

3 结论

在洪水计算中，有些地区无实测流量资料但是具备实测降雨资料，可将实测降雨分析成果与《山西省水文计算手册》中无资料地区洪水计算模型中产汇流计算方法相结合，能够实现对典型年连续降雨产生洪水的分析，从而为合理确定工程规模提供技术支撑。