基于频率法的建始水文站“20200726”暴雨洪水分析

金 锴,李 畅,刘 远,袁延泰

(1.湖北省恩施土家族苗族自治州水文水资源勘测局,湖北 恩施 445000,2.湖北省潜江市水文水资源勘测局,湖北 潜江 433100 )

1 工程概况

暴雨洪水对地区经济和居民生产生活都具有破坏性的影响[1-3]。通过对某一区域进行暴雨特点、暴雨成因、洪水特点以及洪水成因分析,能够为未来暴雨洪水分析与预报等积累经验,为工程建设、水文计算分析提供参考依据。因此,参考降水和洪水观测资料分析暴雨洪水具有重要意义[4-9]。广润河为清江一级支流马水河的西支,发源于重庆奉节县的四十二坝,海拔 1 740 m,向东北流经西溧瀑布。流域内山峦叠嶂,河谷深切,落差集中,综观流域地势呈西北高、东南低,最高峰为西北部的猫儿梁,高程为 2 123 m,地势从西北逐渐向建始盆地倾斜,山体间遍布V型和箱型深切峡谷。河流由北西向南东,蜿延穿流于中低山之间, 是恩施州典型暴雨中心之一。本文以该区域的建始水文站(建始城关水文站)为例,从降水过程及分布、暴雨重现期、洪水特征等多个方面分析了暴雨洪水成因和过程,得到了暴雨重现期和洪水重现期,为当地暴雨预测提供参考。建始水文站以上流域水系和水文站网情况详见图1。

2 降水过程及分布

2020年7月26日2时-14时,建始水文站以上流域普降特大暴雨,流域平均降水量达210.8 mm,暴雨中心位于代陈沟一带。单站降水量为 192.5(檀木垭)～291.5 mm(代陈沟)。最大1 h降水量为82.5 mm,发生在建始城关站;最大 3 h、6 h、12 h降水量分别为 179.0 mm,265.0 mm、 291.5 mm, 均发生在代陈沟站。建始水文站以上流域土壤含水量在7月25日8时处于接近饱和状态,后续强降水,导致建始水文站出现峰高量大的洪水。2020年7月26日2时-14时,建始水文站以上流域降水量统计结果见表1,降水时程分布情况见建始水文站“20200726”洪水流域平均逐时降水量柱状图见图2。

图1 建始水文站以上流域水系和水文站网

表1 建始水文站以上流域2020年7月26日2时-14时降水量统计表

3 暴雨重现期分析

建始水文站“20200726”暴雨特征为历时短、总量大、强度大。本次选用建始水文站以上流域内具有 30 a以上资料系列代表站(建始、檀木垭、当阳坝),将实测最大 1 h、3 h、6 h、12 h降水量资料(截止2020年) 组成连续样本系列,采用 PⅢ型曲线适线(Cs=3.5Cv),计算出各代表站各设计频率降水量。成果见表 2和表3。

图2 降水时程分布情况图

表2 建始水文站以上流域2020年7月26日2时-14时各种短历时暴雨重现期成果

表3 建始水文站以上流域2020年7月26日2时-14时各种短历时暴雨重现期成果

4 洪水特征分析

2020年7月26日6时31分建始水文站水位突破警戒水位后快速上升,在26日11时20分达到峰值,最高水位560.70 m(超警戒3.70 m),洪峰流量1 050 m3/s(还原后为1 140 m3/s)。本次洪水洪峰流量为1966 年有水文实测资料以来第一位。

表4 建始水文站“20200726”洪水过程对照表

5 “20200726”洪水成因

建始水文站洪水由闸木水水库下泄流量、支流米水河及区间流量组成。建始水文站“20200726”洪水过程与流域内降水过程基本一致,说明建始水文站“20200726”洪水主要由降雨引起。闸木水水库为无闸门水库,从 7月26日10时-11时库水位及蓄水量变化情况看,水库存在滞洪现象。详见表4、表5及建始水文站“20200726”洪水过程对照图。

表5 建始水文站“20200726”洪水过程对照表

图3 水文站“20200726”洪水过程对照图

6 设计洪水计算

6.1 基本资料

建始水文站位于广润河上的建始县城关,于1958年7月由湖北省水利厅设立,8月1日开始测验,控制流域面积233 km2,该站自1960年后的水文观测资料较为完整,1966年1月1日建始水文站上迁4 km,改名为建始(二) 站,继续观测2013年,流域面积 157 km2。因城市建设需要,该站上迁至现址, 更名为建始城关水文站,流域面积151 km2,于2014年观测至今。该站水位采用黄海高程系。施测流量时,中低水位采用流速仪测速,高水位时采用电波流速仪、浮标测速,浮标系数0.85左右,符合山丘区流域选用值范围。流量计算按流速面积法计算。测验项目有雨量、水位、流量等, 由湖北省水文水资源局审查、汇编、刊印、归档,观测方法符合规范要求, 观测资料可靠。该站流域内设有当阳坝、檀木垭、代陈沟、闸木水水库、建始等雨量站。

6.2 系列代表性分析

在采用资料的55 a系列中,含有特大水年、大水年、小水年及特枯水年。经分析并与降水量资料对照检查,确认样本具有较好的代表性,满足本次计算要求。闸水水库于2014年下闸蓄水,此次未考虑其对系列一致性影响。

6.3 设计洪水计算

依据建始水文站的实测系列径流资料推求设计洪水。

6.3.1 历史洪水及其重现期

根据《清江历史洪水汇编资料》,建始(二)站附近河段的历史洪水有1912年、1950年,调查洪水位及推算流量见表6。

表6 建始(二)站河段历史洪水调查成果

根据马水河老渡口站(流域面积1 880 km2)洪水调查成果,经综合分析认为建始(二)站1912年洪水流量小于1950年的调查流量。鉴于1912年未调查到洪痕,可以判定建始城关站2020年洪峰流量为1913年以来最大值,其考证期认定为108 a。

6.3.2 设计洪水

本次将建始(二)站 1966-2014年的实测年最大流量及1950年调查最大流量采用面积比推算至建始城关站,与建始城关站2015-2020年实测资料组成一个不连续系列,并将实测流量系列中的第一位(2020年还原计算后的流量1 140 m2/s)、第二位(1972年实测1 000 m3/s,换算后962 m3/s)以及1950年调查最大流量(调查值1 070 m3/s,换算后1 030 m3/s)按特大值处理。以矩法计算统计参数x 、Cv、Cs 为初始值,理论频率曲线采用 P-Ⅲ型曲线,经目估适线确定采用参数。经验频率的估算;连序列中各项的经验频率,采用数学期望公式计算:

Pm=m/n+1

(1)

式中:Pm为连序列第m项的经验频率;m为由大到小排位的顺序;n为序列中的年数不连续系列中各项经验频率计算,是将实测系列与特大值系列共同组成一个不连序系列作为代表总体样本,实测系列为其中的组成部分,不连序系列各项可在调查期 N 年内统一排位,公式为:

Pm=a/(N+1)+(1-a/(N+1))×(m-L)/(n-L+1)

(2)

式中:a为在N 年中连续顺位的特大洪水项数;N为调查考证期;n为实测洪水系列项数;L为实测洪水系列中抽出作特大值处理项数;m为实测洪水的序位;Pm为实测系列第m项的经验频率。设计结果见表7,建始城关水文站历年最大流量频率曲线见图4。根据上述计算成果,查算建始水文站“20200726”洪水最大洪峰流量1 140 m3/s(还原后的流量),对应的重现期为 104 a一遇。

表7 建始城关站设计洪峰流量成果表

图4 建始城关水文站历年最大流量频率曲线

7 结语

7.1 暴雨重现期

建始水文站“20200726”暴雨特征为历时短、总量大、强度大。暴雨中心位于代陈沟一带。最大 1 h降水量为82.5 mm,发生在建始城关站,重现期为47 a一遇;最大 3 h、6 h、12 h降水量分别为 179.0 mm,265.0 mm、291.5 mm,均发生在代陈沟站,重现期均为超百年一遇。

7.2 洪水重现期

建始水文站“20200726”洪水最高水位560.70 m(超警戒3.70m),洪峰流量1 140 m3/s(还原后的流量)。本次洪水洪峰流量为1966年有水文实测资料以来第一位。本次洪水由短时强降水引起,建始水文站最大洪峰流量重现期为超百年一遇。建始水文站“20200726”洪水等级为特大洪水。