利用暴雨资料推求伊河龙门镇设计洪水

利水电技术第３３卷２００２年第６期　利用暴雨资料推求伊河龙门镇设计洪水　杨向辉　，王（１．河海大学技术经济学院，江苏南京玲　，刘权授　４５０００４）　２１００９８；２．水利部黄河水利委员会水文局，河南郑州【摘要】　利用暴雨资料进行了河南省伊河龙门镇设计洪水的计算，为探索利用暴雨资料推求设计洪　水在黄河上的应用做了尝试．利用暴雨资料和利用流量资料分别计算的龙门镇设计洪水成果没有显著　差异，表明文中计算方法是可行的，可以在流量资特短缺的中小流域应用，　【关键词】　暴雨资料；伊河；龙门镇；设计洪水　中围分类号：ＴＶ１２２　３（２６１）　文献标识码：Ｂ　文章编号：ｔＯ００—０８６０（２００２）０６．Ｏ００ｔ．０４　我国大部分地区的洪水主要由暴雨形成．在实际　工作中，中小流域常因流量资料不足或代表性较差，难　以使用相关法来插朴延长，或者是由于人类活动的影　２水文资料　２．１　流量与雨量资料　响显著改变了径流形成的条件，破坏了资料系列的一　致性，致使无法用流量资料推求设计洪水，这种情况下　以及在一些无资料小流域地区，一般都需通过暴雨资　料推求设计洪水．即使流量资料充足，用暴雨资料推　求设计洪水，也可以增加推算设计洪水方法的多样性，　以相互论证设计成果的合理性．　黄河设计洪水成果，其计算方法多由流量资料推　龙门镇有实测洪水流量资料的年份有：１９３６—　１９４３。１９４６，ｌ９４７，１９５ｌ～ｌ９９７年，但ｌ９５３年以前雨量　资料很少，此次采用流量系列与雨量系列同步为　１９５３～１９９７年．选用ｌ９５４、ｌ９５８、ｌ９８２年的三次大暴　雨、大洪水过程作为次暴雨、次洪水的典型过程，为便　于对比计算，每个典型年暴雨、洪水控制时段长度统一　取ｌ２　ｄ，即：ｌ９５４．０８—０２～０８．１３、ｌ９５８．０７．１２～０７．２３、　求所得为探索利用暴雨资料推求设计洪水在黄河上　的应用，本文选择了黄河小浪底至花园口区间（简称小　ｌ９８２—０７．２９～０８．０９．考虑到陆浑至龙门镇洪水传播时　间为９　ｈ，故以小时为单位的设计洪水过程的计算时段　采用Ａｔ＝３ｈ．　２．２流量还原　花间）伊河流域作为设计代表流域．利用暴雨资料推求　伊河龙门镇的设计洪水，并与由流量资料推求的龙门　镇设计洪水对比论证　１９５３～１９５９年龙门镇宴测流量不受陆浑水库调节　影响，可认为是天然流量，可以直接直用；１９６０－１９９７　年实测流量受上游陆浑水库调节影响，需要进行还原　１流域自然概况　伊河是黄河干流小花间伊洛河上的一条支流，　流量还原方法：采用龙门镇实测流量　水库蓄变　量相加进行还原（考虑水库与下游断面之间的传播时　间平移相加），即日平均流量还原方法　流域面积６０２９　ｋｍ　，发源于伏牛山北麓河南省峦川　县张家村，流经嵩县、伊川县，在偃师枣庄汇人洛河　右岸．全长２６８　ｋｍ伊河龙门镇水文站，是伊河的把　口站，也是重要的报汛站，控制流域面积５　３１８　ｋｍ　．　距伊河河口４１　ｋｍ．位于伊河中游的陆浑水库，１９５９　式中Ｑ　２．　＝Ｑ　¨＋△Ｑ＿Ｈ　量与还原流量；　△　一陆浑水库蓄变量．　．ｃ１）　ｐ】　，ｐｍ：　一一第ｔ日（或时刻）龙门镇实测流　年Ｉ２月开始动工兴建，Ｉ９６５年８月建成，总库容　１２　９亿ｍ　，控制流域面积３　４９２　ｋｍ：，占伊河流域面　积的５８％陆浑水库距伊河河口９５　ｋｍ，距龙门镇水　文站５４　ｋｍ，是伊河上睦一的一座具有调节作用的大　型水库．　ＷａｔｅｒＲｅｍｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　蛔…ｒＥｎｇｉｎｅｅｎ＇ｎｇ　Ｖｄｊ，Ｎｏ　对于日平均流量３．ｐＬＨ　：　垡　收稿日期：２００１－１０－２９　△ｆ：　作者简介：橱向辉（１９６４一）　男．河海大学博士研究生．高级工程师　１　维普资讯 http://www.cqvip.com

柄　辉等∥ｉ　用暴两资抖推求ｉｆ＂河茈　］镇设计熹水　１　ｄ（８６４００　ｓ）　Ｖ（日ｌＨ）为陆浑实测库水位（日ｌＨ）相应的　库容　对于次洪水过程ＡＱ　＝旦　Ａｔ＝３　ｈｒ１０８００　ｓ）．　堕　，　该方法目前在实际应用上都是假定整个水库水位　相等．并采用坝前水位为水库的代表水位．　２．３雨量站代表性分析　１９５３和１９５４年只有３个雨量站，１９５５～１９５９年　也只有６个雨量站，站数较少，需要论证其代表性．　论证方法：本流域１９７５—０８．０５～０８．１６、１９８２．０７—　２９～０８－０９、１９９６—０７－２９～０８－０９三次大暴雨，雨量站较　附图１～职新安江模型流程　产流面积｛　Ｐ一降雨量；Ｅ　一水面蒸发量；　一透水面积产流量；职面总＾流；　卜一壤中流；　多，共有２２个相同的雨量站．分别计算３个站、６个站　和２２个站在这三次大暴雨中的最大ｌ，３，５，ｌ２　ｄ雨量　不产流面积；　Ｂ不透水面积产流量；　Ｓ地面径流量；　一地　壤中总＾流：　Ｇ一地下径流量；口Ｇ一地下　八流；口　河同薛八流；（　流域出流量：　层．ＷＭ－砌　Ｄｌ吖；　流域薰散发量ｉ　一蔫散发　袁土自由水容　平均值，进行对比．在所计算的三次大暴雨最大１，３，　５，１２　ｄ平均雨量中，３个和６个站的雨量平均值与２２　能力折算系数　ｃ一浑层蔫散发系数：　Ｍ强力水容量　分上、下、探ｊ　张力水蓄水曲线的方改；Ｓ村量｛删一表土目由水蓄水曲线的方班｛ＫＧ－－自由水对地下水的出流系　个站的平均值总体相差不大，而且这３个站（或６个　站）分布基本均匀，应该说具有代表性．　数；ｃＧ一地下水的消退系数；　『＿自由水对壤中流的出流系数；ｃ『＿壤中　流的消退系数　一河阿蓄量的消退系数；￡何阿｝［＝流的滞后时间　３产汇流计算模型　３　１模型结构　Ａ＝ＭＭ『１－（１一　／　Ｍ）　¨　］　（７）　产流量Ｒ的计算公式（Ｐ为降雨量）如下　当Ｐ－ＫｘＥＭ≤０时，Ｒ＝Ｏ　当Ｐ—ＫｘＥＭ＋Ａ（ＭＭ时．Ｒ＝Ｐ－ＫｘＥＭ—ＷＭ＋Ｗ＋　ｔ８１　本文产汇流计算模型采用三水源新安江模型，模　型的流程图见附图　ＷＭｘ：１一（Ｐ＿Ｋ×Ｅ舯“）／ＭＭ］　当Ｐ－ＫｘＥＭ＋Ａ＞＞－ＭＭ时，Ｒ＝Ｐ－ＫｘＥＭ一　Ｗ＋　图中输人为实测雨量Ｐ，实测水面蒸发量ＥＭ；输　出为流域出口流量Ｑ；流域蒸散发量Ｅ．方框内是状　态变量，方框外是参数常量分为四大部分　３．１　１　蒸散发量计算　式中，Ｒ为产流量；ＭＭ为流域最大点蓄水容量　３　１．３分水源计算　产流量Ｒ再分为三种水源流出：地面径流量ＲＳ，　模型结构与计算方法可　地下径流量ＲＧ与壤中流ＲＬ参数为表层土自由水蓄　其参数为上层张力水容量　能力折算系数　，公式如下　，下层张力水容量　水容量ＳＭ，表层自由水蓄水容量曲线的方次ＥＸ．，表　层自由水蓄量对地下水的出流系数ＫＧ，及对壤中流　的出流系数“分水源产流公式为　（９）　ＭＳ＝（１＋Ｅ　）ｘＳＭ　Ｍ，深层张力水容量ＤＭ，深层蒸散发系数Ｃ．蒸散发　当上层张力水蓄量足够时，上层蒸散发量ＥＵ为　ＥＵ＝ＫＸＥＭ　（２）　式中，ＭＳ为表层土最大点自由蓄水容量．　ＡＵ＝ＭＳｘ［１一（１－Ｓ／ＳＭ）　。　。　ＦＲ＝Ｒ／（Ｐ－ＫｘＥＭ）　ＲＧ＝ＳｘＫＧｘＦＲ　ＲＩ＝Ｓ￣Ｋ，×ＦＲ　当上层已干，而下层蓄量足够时，下层蒸散发量ＥＬ　为　ＥＬ＝Ｋ　ＸＥＭ　Ｘ　Ｌ／ＬＭ　（３）　（１０）　（¨）　ｆ　１２　ｆ１３）　当下层蓄量亦不足，要触及深层时，蒸散发量ＥＤ　为　ＥＤ＝Ｃ　ＸＫ　ｘＥＭ　（４）　当Ｐ－ＫｘＥＭ＜￣０，则ＲＳ＝Ｏ　当Ｐ－Ｋｘ肼“Ｕ＜ＭＳ，则ＲＳ＝；Ｐ－ＫｘＥＭ－　当Ｐ－ＫｘＥＭ＋Ａ　Ｕ＞￣ＭＳ，则ＲＳ＝　（Ｐ—ＫｘＥＭ＋Ｓ—ｓＭ、ｘＦＲ　（１４）　３．１　２产流量计算　按蓄满产流概念，参数为包气带张力水容量ＷＭ，　ＳＭ＋Ｓ＋ＳＭ￣：ｌ一（Ｐ－Ｋ￣ＥＭ＋ＡＵ）／ＭＳ］。　：ｘＦＲ　张力水蓄水容量曲线的方次Ｂ，公式为　Ｍ：ＵＭ＋　ｌⅥ＋Ｄ　（５）　３．１．４汇流计算　ＭＭ＝　ⅣＸ（１＋　）　２　（６）　地面径流０ｓ（，）的坡地汇流不计，直接进入河网　水利水电盎　第３３卷２００　２￡第　霉　维普资讯 http://www.cqvip.com

确向辉等∥刊用暴雨资料推求伊河龙、］镇设计　术　表层自由水以ＫＧ向下出流后成为地下径流ＱＶ（，），　汇流用线性水库模拟，其消退系数ＣＧ，出流进人河同．　表层自由水以Ｋ，侧向出流后成为壤中流　（，），经过　深层土水库调蓄作用后进人河网，汇流也用线性水库　模拟，其消退系数为ｃ　计算公式为　ＯＳ（，）＝ＲＳ（１）ｘＵ　（１５　１　ＫＩ＝Ｏ．０４，ＣＧ＝Ｏ．９９８，ＣＩ＝Ｏ＿８０，ＣＳ＝Ｏ．４０，Ｌ＝２　ｈ　４由流域平均雨量系列推求设计暴雨量　依据４５年（１９５３～１９９７年）流域平均雨量，计算最　大１，３，５．１２　ｄ等时段最大平均雨量的经验频率，并分　别用Ｐ＿Ⅲ型曲线进行适线雨量频率适线后的统计参　数与各种设计频率的雨量值见表１．　表１　由流域平均雨量推求伊河设计暴雨量成果　ＱＧ（，）＝ＱＧ【，一１）ｘＣＧ＋ＲＧ（，）×（１－ＣＧ）ｘＵ　（１６）　（，Ｊ＝Ｑ，（，－１）ｘＣｌ＋ＲＩ（Ｉ）×（１一ＣＩ）ｘＵ　则河网总人流ＱＴ（Ｉ）为　Ｑｒ，（，）＝Ｑｓ（，）＋ＱＧ（，）＋Ｑ１（，）　【１８）　河网总人流再通过流域汇流流向出口断面形成出　（１７）　口流量过程Ｑ（Ｉ）．流域汇流计算有单位线法，瞬时单　位线法与滞后演算方法，本文采用较简便的滞后演算　法．滞后演算法的参数是滞后量　与消退系数ｃｓ．Ｌ　反映平移作用，ｃｓ反映坦化作用．计算公式为　ｐ（，）＝ｃｓ×Ｑ（』一￡）＋（１－ＣＳ）ｘＱＴ（Ｉ－Ｌ）　单位为ｋｉｎ　，△　单位为ｈ．　３．２模型参数及其■值确定　（１９）　５由设计暴雨量推求设计洪水　５．１　雨始时初始条件的确定　设计暴雨雨始时各项起始条件，包括　雨始时土壤总张力水容量可由　０＝　，ＷＬ。，　式中，ｕ为单位换算系数，　＝流域面积　（３．６△￡），Ｆ　ＷＤｏ，ｓｏ，ＱＧｏ，　，　等物理量的确定需要计算得出．　＋　０＋ＷＤ。求　得．起始条件不同，将直接影响设计洪水成果．选择　１９５４，１９５８，１９８２年三个典型年的日流量和日雨量系　列，以计算的与实测的日流量误差的绝对值之和晟小　为原则，进行日模型计算，调试日模型的７个敏感参　数，并由此确定的雨始时各项起始条件数值见表２．　表２由日模型计算的各典型年初始量数值　制岍亘　ｌ　％　Ｄｎ　ｎ　ＱＣ。　０　Ｊ　Ｑ。　如前所述，新安江模型分为四类，共有１４个参数．　第一类，蒸散发计算：Ｋ，　，　，ｃ；第二类，产流计　算：ＷＭ，　；第三类，分水源计算：ＳＭ，ＥＸ，ＫＧ＋　，；第四　类，　流计算：ＣＧ，口，Ｌ，ＣＳ．计算按照这个顺序进行．　依据分析与实践经验，这些参数中　．Ｌｗ，ＬＭ，　Ｂ，ＥＸ，Ｃ等６个参数是非敏感参数，可根据已有经验　确定；　，ＳＭ，ＫＧ，ＫＩ，ＣＧ，ＣＩ与Ｌ．ＣＳ等８个参数是敏　感参数，需要依据实际资料调试确定．　依据经验数据确定的非敏感参数的数值为ＷＭ＝　１７０　８／１１．［，村＝３０　８／１１．ＬＭ＝９０／１１８，Ｂ＝０．４，ＥＸ＝１　１，Ｃ＝　０．Ｏ８．　典型暴雨＼＼　／ｎｕｎ／皿ｎ　／Ｄ１ｍ　／ｎｕｎ　／Ｄ１ｍ　／ｍ　・一　／ｍ　・ｓ一．ｉｙｏ￣．ｓ　１９５４＿０８－０２—０８－１３　６　０　６４　０　５０　０　１２０　０　Ｉ９５８６１７－１２—０７－２３　１９．２　８３　８　５０　０　１５３　０　１０１　１　８１　１５．７　１２．２　２６　２　３２　０　最大深层土壤张力水容量为Ｄ　＝　Ⅳ一硼ｆ－ＬＭ＝　５０ｍｉｌ１．　１９８２　０７　２９～０８－０９】１．０　Ｉ　３．８　４９　４　６４　２　０　７　２　９　２　６　１２　０　由于ｓｏ，ＱＧｏ，ｐ，０，Ｑｏ变化较小，对设计洪量影响也　较小，可取三次典型暴雨的相应平均值作为雨始时的　初始值．而雨始时初始土壤含水量　差异较大，对设　计洪量影响较大，选用不同的暴雨典型就会造成设计　值确定：应用多年日平均流量、雨量系列，以多　年平均产流量误差∑Ａ　最小为目标函数，确定流域　蒸发能力折算系数　，即　＝Ｋｘ　中的　，其中　为　流域蒸发能力，　为水面蒸发量．　由于本流域的水面　蒸发资料在每年的１１～３月、４～１０月分别是用２０　０／Ｉ１　和Ｅｍ　（或８ｏ　ｏｒｅ）蒸发皿进行观测的．经调试　值如　下：ｌ１～３月采用１．１５．４～１０月采用１．５０．　洪量的较大差异，致使设计成果任意性较大，稳定性较　差．下面用频率的方法推求　，能较好地解决这一问　题．　应用日模型计算每年最大１２　ｄ雨量（　．：）和雨始　时土壤含水量　０，形成　．２＋　系列，然后计算　＋　。　系列各种设计频率的数值，相应频率　差（　。与　之　＝　．２１　一　ｌ１ｎ，即为频率为Ｐ（Ｐ＝Ｏ．０１％，０．１％，１％）　次洪水敏感参数的确定：选择典型次洪水过程的　时段流量与时段雨量，用上述产汇流模型进行产流量　计算（次模型计算），计算时段采用△ｔ＝３　ｈ，以计算的　与实测的洪水过程流量误差最小为原则，调试次洪水　的７个敏感参数，调试结果为ＳＭ＝３０／Ｉ１８，ＫＧ＝Ｏ．０４，　水利　电蕞　第３３卷２ｏ０２年第６朝　的设计暴雨雨始时的　。　．当ＷＯｐ＞ＷＭ时，取　ＷＭ．应用这个方法得到的各设计频率的雨始　为Ｐ　３　维普资讯 http://www.cqvip.com

榜　辉菩∥　用暴雨资料推求伊河龙、］镇设计洪木　＝０．０１％，０．ｉ％，１％的相应ＷＤ。＝１７０，１７０，ｌ５０　ｍｍ即　表３和表４显示的同一频率不同时段的设计洪量　相差不大，据此初步认为：在本流域由设计暴雨推求的　在稀遇设计暴雨时，雨始时　都趋于最大饱和值，由　此计算出的设计洪水成果，在客观上更有利于安全．　由设计暴雨推求设计洪水，设计暴雨的频率与设　设计洪量值，与由流量资料推求的设计洪量值差异并　不显著．　表４　由流量资料推求的龙门镇设计洪量成果　Ｐ计洪水的频率一般情况下并不相等，因为还存在另一　个变量　。的影响．由前述产流模型可知，当　＋　。一　Ｅ＞ＷＭ时，设计暴雨的产流公式为Ｒ＝Ｘｐ＋　ｃ广　—ＷＭ．　／亿ｍ　１％　８　０　１４　２　：】％　４　８　８　６　ｌＯ５　Ｉ３　３　时段／ｄ　Ｗ／亿ｍ　ｌ　３　５　ｌ２　Ｏ　８　１　５　】９　２　８　Ｃ　Ｐ＝Ｏ０】％　』　１　２２　１　ｌ　５　】ｌ５　１　０　３．２５　３．２５　３．０ｏ　２ｍ　１１　４　２０１　２４１　２７．９　Ｊ　式中ＷＭ是常数，　值比较小，因此产流量　的频率　与随机变量砜＋　基本上是相等的．由于所选典型雨　型的不同使得　具有不确定性，很难保证设计暴雨　与设计洪水　具有同频率，也使得设计洪水成果也　具有较大的任意性，依据ＷＯｐ＝（Ｗｏ＋　ｚ）　—　：　求　。　，　避免了因雨型的不同而导致的　差异，增加了设计　洪水成果的稳定性，而且这样求得的设计洪水　基本　１７　２　２Ｏ　５　７结语　本文在黄河流域伊洛河支流伊河上利用暴雨资料　推求龙门镇设计洪水的尝试．在设计暴雨雨始时初始　土壤含水量　ｏ的计算上，采用了　＝（Ｗｏ＋　）　—　‰　差异，　的方法，避免了困典型雨型的不同而导致的　上符合设计频率．由此认为由同频率的　＋　。与　差　值求得的　具有较强的合理性．　５－２　由设计暴雨推求设计洪水　由设计暴雨量推求设计洪水需首先推求设计暴　而且使得设计洪水与设计暴雨基本上同频率，因而具　有较强的合理性．用三水源新安江产汇流模型和调试　的模型参数及初始条件，所推求的各时段设计洪量与　由流量资料推求的同一时段的设计洪量，其量值没有　显著的差异．由此认为，文章所述利用暴雨资料推求　设计洪水方法可行，可以在流量资料短缺的中小流域　应用，也可　与由流量资料推求的设计洪水成果相互　印证　雨过程，用不同设计频率（　：Ｏ．Ｏ１％，０．１％，１％）的最大　１，３，５，１２ｄ的设计暴雨量，对３个典型暴雨过程进行　同频率控制放大，求出对应于３个典型暴雨过程的设　计雨量过程然后利用产汇流模型由设计暴雨过程推　求设计洪水．模型计算采用已调试好的ｌ４个次模型参　数和上述确定的雨始时各初始条件．各典型暴雨、各频　率的设计洪峰及设计洪量见表３．　袁３用不同典型暴雨计算的龙门镇设计洪峰　殛各时段设计洪量　参１：赵』、俊，王佩兰考文献　新安江模型参数的分析［Ｊ］水文、１９８８（６）　２　Ｊ黄河水利委员会勘测规划设计院黄河小花问设计洪水舟析报告　［Ｒ．．１９９９　１９５４－０８—０２—０８一Ｉ３　１Ｉ　５　１９　２　２２１　２５６　２Ｏ０００　３］水利部长江水利委员告，水利部南京水文水资源研究所主编水　Ｐ＝Ｏ　０１％Ｉ９５８－０７—１２￣０７—２３　】０．０　ｌ９８２．０７—２９—０８＿０９　９．８　ｌ９５４－０８—０＂２—０８—１３　７．９　Ｐ－－Ｏ　ｌ％　１９５８．０７　１２　０７—２３　６９　１９８２．０７—２ｑ一０８—０９　６　６　２０．Ｉ　１９．８　１３．３　１３．９　１３．１　２３　８　２３　０　１５　４　ｊ７４　１５．７　２６　５　２６．１　２０．３　２１．０　２０４　１７９００　１７０００　Ｉ３　９００　１２　８００　１１　８００　利水电工程设计洪水计算手册ｚ］　北京水利水电出版社、１９９５　（责任编辑聂建平）　１９５４＿０８．０２—０８—１３　５　８　９　３　１０　１３　９　ｌ　１０　６０Ｏ　Ｉ％　Ｊ】９５８＿０７．１２－０７—２３　５　２　Ｊ　１０　８　ｌ　１９８２＿ｏ７－２９—０８．０９　４　３　Ｉ　９　３　１２　１】．２　Ｉ４　５　Ｊ　９０６０　１４１　ｌ　７　７［ｘ】　６由暴雨和由流量资料推求的设计洪量比较　依据伊河龙门镇站４５年（１９５３—１９９７年）实测日　流量资料，其中ｌ９５３～１９５９年可被认为是天然洪水资　料，１９６０～１９９７年是考虑上游陆浑水库调节影响后的　还原洪水资料　计算各时段实测最大洪量经验频率，　并用Ｐ一Ⅲ型曲线进行频率适线，适线后的统计参数与　各种频率设计洪量值见表４、　ｄ　木和水电｛支　第３３毒２００　２　茸Ｅ胡