涪江流域涪江桥水文站设计洪水分析研究

鞠玉梅,张恩浩,樊珏

(1.四川省水文水资源勘测中心,成都,610036;2.西华大学能源与动力工程学院,成都,610039)

设计洪水成果是确定河流治理方案和开发水利水电工程规模的重要依据数据,是开展流域水旱灾害防御工作的重要支撑数据。目前许多水文学者针对流域设计洪水计算做了不少研究[1]。本文以涪江流域为例,选取流域内涪江桥水文站实测年最大流量资料,分析研究受气候及下垫面条件变化影响后流域设计洪水成果的变化情况。

1 流域概况

1.1 流域基本情况

涪江是嘉陵江右岸支流,发源于松潘县黄龙乡岷山雪宝顶峰西北之雪山梁子。河长660km,流域面积35982m2,水系呈树枝状发育,支流众多。河源至江油市武都镇为上游;武都镇至遂宁市城区为中游;遂宁城区至河口为下游。上游段属龙门山断裂褶皱带,变质岩发育,地面起伏大,河道行于高山峡谷中,河谷狭窄,仅平武县南坝镇一带有沿河平坝,中下游段属四川台向斜川北台凹平缓褶皱带。流域内气候温和,年均气温15℃～18℃,年降水量一般800mm～1400mm。干支流洪枯水量变化很大,大支流凯江、梓潼江枯水期甚至有断流现象。

1.2 涪江桥水文站基本情况

涪江流域绵阳市境内有涪江桥水文站,设立于1954年8月,位于绵阳市石马镇七姓村、宝成铁路大桥下游480m处涪江左岸,东经104°44′、北纬31°31′,集水面积11908km2,域内河长292km,至河口距离378km,高程系统于2023年改为85黄海基面。该站收集有1954-2021年共68a的年最大流量资料(其中1961年是通过年最高水位查水位流量关系线得到),分析知年最大流量整体呈下降趋势。涪江桥河段在1984年调查到3场可靠或较可靠的历史洪水:1902年(较可靠,14800 m3/s)、1945年(较可靠,12600 m3/s)、1978年(可靠,10300 m3/s,在实测资料中)。

涪江流域涪江桥站上游58km处建有武都水库,武都水库为大型水库,于2004年开工,2013年建成。

2 “三性”审查

根据《水利水电工程水文计算规范》(SL/T 278-2020)的相关规定,对涪江桥站的年最大流量资料进行可靠性、代表性、一致性“三性”审查[2]。

2.1 可靠性审查

涪江桥站依据数据均为整编后提交的成果,经纬度信息齐全,年最大流量资料的测验和整编都严格按照国家或部颁相关规范进行,且均经省水文中心组织复审整编,达到国家水文资料编印标准,资料真实可靠。

2.2 代表性审查

代表性是指样本的统计特性能否很好地反映总体的统计特性,即样本与总体的接近程度。从资料系列的周期性、稳定性和代表期来检验代表性。本次采用涪江桥站年最大流量系列对代表性进行分析。

2.2.1 周期性分析

本次分析采用模比系数差积曲线来反映周期性。

模比系数差积曲线表示为:Si=Si-1+(Ki-1)

经过周期性分析,涪江桥站系列资料满足周期性。周期性分析如图1、图2所示,过程线中有上升段、下降段、稳定段,表示年最大流量系列周期性较好。

图1 最大流量模比系数差积曲线

图2 年最大流量小波分析曲线

2.2.2 稳定性分析

分析涪江桥站年最大流量资料模比系数累积平均值曲线(见图3)来反映其稳定性,系列模比系数累积平均值计算到一定年限,数值波动幅度逐渐变小,并逐渐趋近于1.0,这时认为曲线值具有一定的稳定性。经过稳定性分析,涪江桥站资料系列的模比系数累积平均值逐渐趋近于1.0,说明稳定性好。

图3 累积量平均模比系数过程线

涪江桥站历年最大洪峰流量稳定性好,且包含了丰、平、枯水年的周期变化情况,资料具有较好代表性,可用于设计洪水分析计算。

2.3 一致性审查

年最大流量系列满足一致性假定是进行设计洪水分析计算的前提,本文采用累积年最大流量检查法检验系列是否满足一致性,如果不满足,采用Pettitt突变检测法进行异常值分析。

2.3.1 累积年最大流量检查

计算涪江桥站累积年最大流量,并绘制累积年最大流量的过程线,如图4所示,涪江桥站年最大流量累积过程线中1982年有个突变,2013年以后变化也很明显,不满足一致性检验。

图4 年最大流量累积过程线

2.3.2 还原计算

2013年以后涪江桥站年最大流量累积过程线变化明显是因为涪江桥站上游58km处武都水库的调蓄影响。武都水库在2013年后有水库水情表,记录了不同时段出、入库流量及水库蓄水量,因此可对涪江桥站2013年及以后的流量数据进行还原计算[3]。

考虑洪水传播时间,再采用马斯京根法,将武都水库出、入库流量演算到涪江桥站,用涪江桥站实测流量减去武都水库出库流量演算到该站所对应时段的流量,同时加上武都水库入库流量演算到该站所对应时段的流量,最终得到涪江桥站还原后的实际洪峰流量,再从还原后的流量中找到对应的实测年最大流量。

还原后涪江桥站2018年年最大流量为14169 m3/s(取3位有效位数后为14200m3/s),比1902年历史调查洪水略小,2020年的年最大流量为13070 m3/s(取3位有效位数后为13100m3/s),比1945年历史调查洪水大。还原后得到1954-2021年的年最大流量还原后系列。

2.3.3 Pettitt突变检测

利用Pettitt突变检测法分析涪江桥站年最大流量发生突变的具体年份。Pettitt突变检测法是由Pettitt提出的一种非参数检验方法[4],可识别水文时间序列中的突变点,同时也可以量化变异点在统计意义上的显著水平。该方法使用 Mann-Whitney 的统计量Ut,N来检验来自同一个总体x(t)的两个样本序列(x1,x2,…,xt)和(xt+1,xt+2,…,xN)。在检测到突变点后,其将水文时间序列数据分为两个区间,每个区间均具有异质性特征。Ut,N的计算公式为:

式中,xt和xj分别为第t、j个时间序列值;N为序列中元素的个数;sgn为符号函数:

若p> 0.95,则认为检测出的突变点在α= 0.05下是显著的。本文使用Pettitt突变检测法对涪江桥站年最大流量系列进行突变检测,可知突变点为1982年。

3 设计洪水分析计算

本次设计洪水分析计算分四种情况:(1)采用1982年突变前涪江桥站年最大流量系列(1954-1981年,1961年通过最高水位查水位流量关系线插补的流量),加入1902、1945、1978年历史洪水组成不连续系列计算;(2)采用1982年突变后涪江桥站年最大流量系列(1982-2021年,2018、2020年年最大流量作为特大值处理,建库后系列未还原),加入1902、1945年历史洪水组成不连续系列计算;(3)采用1982年突变后涪江桥站年最大流量系列(1982-2021年,2018、2020年年最大流量作为特大值处理,建库后系列还原),加入1902、1945年历史洪水组成不连续系列计算;(4)采用涪江桥站1954-2021年全部系列(2018、2020年年最大流量作为特大值处理,建库后系列还原),加入1902、1945、1978年历史洪水组成不连续系列计算。四种情况分别进行经验频率计算,以矩法计算统计参数的初值,采用皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线,通过经验适线确定统计参数及计算值。涪江桥站不同情况下设计洪水成果见表1。由表1可知,站点设计洪水成果中年最大流量均值1982年突变前明显大于突变后,突变前百年一遇设计洪水成果偏小,5年一遇设计洪水成果明显偏大;受干流武都水库调蓄削峰影响,2013年建库后涪江桥站年最大流量偏小,年最大流量还原后设计洪水值较还原前增大,百年一遇设计洪水值增大更多,但水库调蓄影响的影响程度没有1982年突变前后的影响程度大。

表1 涪江桥站不同情况设计洪水成果对比

4 结语

本文选取涪江流域内涪江桥水文站实测年最大流量资料,对比突变年份前后的变化,分析研究受气候及下垫面条件变化影响后流域设计洪水成果的变化情况。研究结果表明,受气候和下垫面条件变化影响,涪江流域涪江桥水文站年最大流量整体呈下降趋势,站点设计洪水成果中年最大流量均值1982年突变前明显大于突变后,突变前百年一遇设计洪水成果偏小,5年一遇设计洪水成果偏大;2010年以后,极端情况较往年有所增加,涪江流域多次遭遇大洪水,受干流武都水库调蓄削峰影响,2013年建库后涪江桥站年最大流量偏小,年最大流量还原后设计洪水值较还原前增大,百年一遇设计洪水值增大更多,但水库调蓄影响的影响程度没有1982年突变前后的影响程度大。本文的设计洪水分析研究成果为涪江流域水旱灾害防御工作提供了数据支撑,为其他同样受气候及下垫面条件变化影响的流域设计洪水复核分析提供了方法参考。