倪皖南

設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成及修正方法研究

倪皖南

（遼寧省沈陽(yáng)水文局，遼寧沈陽(yáng)110043）

文章以石佛寺水庫(kù)樞紐工程設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成分析計(jì)算為例，提出了流域設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成計(jì)算中各控制地點(diǎn)、各分區(qū)設(shè)計(jì)洪水成果分析計(jì)算，設(shè)計(jì)參數(shù)和洪水過(guò)程線修正、試錯(cuò)、糾正并進(jìn)行合理性分析的方法，最終使上游和區(qū)間洪水過(guò)程組合成果與下游控制地點(diǎn)的設(shè)計(jì)洪水成果一致，組合洪水成果更加合理，進(jìn)而滿足工程設(shè)計(jì)的需求。

全區(qū)洪水；典型年；同頻率；修正；設(shè)計(jì)洪水過(guò)程

1 問(wèn)題提出

分析設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成常用的方法有同頻率法和典型年法。兩種方法均是將控制地點(diǎn)處指定頻率的設(shè)計(jì)洪水分配給上游各分區(qū)，以研究所擬定的洪水組成時(shí)水庫(kù)或其它工程的調(diào)洪作用。因而分配到上游各分區(qū)天然狀況洪水，經(jīng)洪水演算后在控制地點(diǎn)處組合，與該處的設(shè)計(jì)洪水在洪峰、洪量、洪水過(guò)程等要素方面達(dá)到吻合，是分析比較不同洪水組成方案優(yōu)劣的基礎(chǔ)。實(shí)踐中，各分區(qū)組合洪水常常與控制地點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水不能十分吻合，有時(shí)甚至相差較大，需以控制地點(diǎn)的設(shè)計(jì)洪峰、洪量及洪水過(guò)程為控制對(duì)分區(qū)洪水進(jìn)行修正與調(diào)整。修正與調(diào)整方法是否合理、有效而無(wú)任意性，同樣對(duì)研究不同洪水組成水庫(kù)的調(diào)洪作用和比較不同組成方案優(yōu)劣十分重要。下文將對(duì)設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成中，設(shè)計(jì)洪水如何分配及分區(qū)洪水如何修正進(jìn)行探討。

2 原因分析

影響分區(qū)組合洪水與控制地點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水吻合的因素很多，大致可分為兩個(gè)方面。

2.1 方法使然

地區(qū)組成法是以實(shí)測(cè)洪水中某一年份的洪水作為典型，按其洪量在各分區(qū)的組成比例，分配控制地點(diǎn)指定頻率的設(shè)計(jì)洪量到各分區(qū)，并且根據(jù)各分區(qū)分配洪量與典型年洪量的比值關(guān)系放大洪水過(guò)程線。洪水的形成是十分復(fù)雜的，無(wú)論對(duì)于控制地點(diǎn)還是各分區(qū)地點(diǎn)，各次洪水間洪水過(guò)程線各不相同；不同時(shí)段洪量比重關(guān)系千差萬(wàn)別；洪峰與洪量的相關(guān)關(guān)系更非一致。對(duì)于控制地點(diǎn)，各次洪水的組成狀況亦很復(fù)雜，因而各分區(qū)洪量組成比例關(guān)系差異也較大。由于典型年洪水僅是眾多洪水中的一個(gè)特例，而設(shè)計(jì)洪水是對(duì)多次洪水的洪峰和不同時(shí)段的洪量分別單獨(dú)選樣，并經(jīng)頻率分析計(jì)算的結(jié)果。因而兩者必然在洪量組成的比例關(guān)系上，在不同時(shí)段洪量的比重關(guān)系上，在洪峰和洪量的相關(guān)關(guān)系上存在著差異。這種差異，是地區(qū)組成法影響分區(qū)組合洪水與控制地點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水吻合程度的主要內(nèi)在原因。

特別是，由于地區(qū)組成法是按洪量的組成比例分配設(shè)計(jì)洪水，如果分配合理，分區(qū)洪水的組合洪量會(huì)與設(shè)計(jì)洪量達(dá)到一致。但分區(qū)洪峰組合并非各分區(qū)洪峰的簡(jiǎn)單疊加，而是各分區(qū)峰尖附近洪水過(guò)程交錯(cuò)組合的結(jié)果。因而對(duì)于洪峰洪量相關(guān)關(guān)系不好的河流；對(duì)于分區(qū)劃分較多的地區(qū)組成狀況；對(duì)于控制地點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水以峰、量分段同頻控制的情況，出現(xiàn)組合洪水與設(shè)計(jì)洪水在峰尖附近不吻合亦是在所難免的。

2.2 計(jì)算不合理所致

用地區(qū)組成法推求分區(qū)洪水,如下環(huán)節(jié)計(jì)算或運(yùn)用的不合理都會(huì)影響分區(qū)組合洪水與控制地點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水的吻合程度：

1）設(shè)計(jì)洪水頻率分析計(jì)算不合理。主要是控制地點(diǎn)和擬定與控制地點(diǎn)采用同頻設(shè)計(jì)的分區(qū)地點(diǎn)，各自時(shí)段洪量及洪峰間的統(tǒng)計(jì)參數(shù)不平衡，相互間統(tǒng)計(jì)參數(shù)在地區(qū)上的不平衡，造成設(shè)計(jì)值上的偏差，而影響洪水分配的不合理。

2）典型年的選擇和設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成方案擬定的不合理。即典型年洪水不具代表性，沒(méi)有反映在本流域大洪水的組成規(guī)律或設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成方案不符合地區(qū)洪水的組成規(guī)律；典型年洪水組成關(guān)系與設(shè)計(jì)洪水組成方案不匹配，導(dǎo)致放大后的洪水過(guò)程扭曲。

3）設(shè)計(jì)洪量分配不合理。洪量分配時(shí)，沒(méi)有考慮控制地點(diǎn)與分區(qū)地點(diǎn)兩者最大時(shí)段洪量，在空間上和時(shí)間上的差異及組合時(shí)河道調(diào)蓄作用的影響，導(dǎo)制分配量的偏差。

4）洪水過(guò)程放大不合理。控制地點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程與分區(qū)洪水過(guò)程線的放大方法或洪量時(shí)段控制不一致，使兩者洪水過(guò)程不一致；由于洪水過(guò)程各時(shí)段放大倍比不同，相鄰時(shí)段銜接處人為修正的任意因素較多，使之修正結(jié)果不一致。

3 解決方法

依以上分析，應(yīng)從分區(qū)洪水的推求與修正兩個(gè)方面去解決。即以合理的推求方法，減少由各計(jì)算步驟引起的吻合上誤差，和以實(shí)用有效的修正方法改善地區(qū)組成法本身的缺欠。由篇幅所限，假定計(jì)算環(huán)節(jié)中的設(shè)計(jì)洪水頻率計(jì)算和典型年的選擇與地區(qū)洪水組成方案均為合理的條件下，僅對(duì)設(shè)計(jì)洪量的分配方法、洪水過(guò)程線的放大方法及分區(qū)洪水的洪峰修正方法進(jìn)行討論。

3.1 洪量分配

洪量分配是對(duì)控制地點(diǎn)的設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行空間上的分配。根據(jù)水量平衡原則，按照典型年各分區(qū)洪量的組成比例，分配控制地點(diǎn)的設(shè)計(jì)洪量，一般按下式：

式中：wpi為分區(qū)分配的設(shè)計(jì)洪量；ki為分區(qū)洪量分配系數(shù)；Wp為控制地點(diǎn)設(shè)計(jì)洪量或從控制地點(diǎn)設(shè)計(jì)洪量中，扣除與其同頻設(shè)計(jì)分區(qū)的設(shè)計(jì)洪量后余下的設(shè)計(jì)洪量；wdi為分區(qū)典型年洪量；m為總分區(qū)或從總分區(qū)數(shù)中扣除與控制地點(diǎn)同頻設(shè)計(jì)分區(qū)后余下的分區(qū)數(shù)；i為分區(qū)號(hào)，i=1，…，m。

對(duì)于短時(shí)段來(lái)說(shuō)，各分區(qū)時(shí)段最大洪量出現(xiàn)時(shí)間并不能與組合后的時(shí)段最大洪量時(shí)間一致，因而分區(qū)時(shí)段最大洪量之和一定大于組合時(shí)段最大洪量。因此，僅按設(shè)計(jì)值Wp之值分配時(shí)段洪量其結(jié)果是偏小的，需進(jìn)行修正。這樣式（1）可變?yōu)椋?/p>

式中：R——為組合平衡時(shí)段設(shè)計(jì)洪量的修正系數(shù)。

3.2 洪水過(guò)程線放大

在設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成中，洪水過(guò)程線放大是對(duì)各分區(qū)洪水及控制地點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行時(shí)程分配?，F(xiàn)行的放大洪水過(guò)程線為同頻率分段控制法，因各時(shí)段放大倍比不同，放大后在時(shí)段交接處產(chǎn)生脫節(jié)，需人工修勻，由于人為因素和任意性較大，故地區(qū)洪水組成中分區(qū)的多少，亦影響到分區(qū)組合洪水過(guò)程線與控制地點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線吻合的程度。筆者認(rèn)為應(yīng)用典型和設(shè)計(jì)時(shí)段流量關(guān)系法放大洪水較好，可獲得符合峰、量同頻分段控制要求的效果，洪水過(guò)程線連續(xù)光滑，克服了人為因素和任意性。其主要計(jì)算式為：式中：Qi為洪水過(guò)程線放大后第i結(jié)點(diǎn)洪水流量；Qci為放大前第i結(jié)點(diǎn)洪水流量初值；Qx，Qy分別為典型年和設(shè)計(jì)洪水控制時(shí)段內(nèi)的平均流量；Qm，Qp分別為典型和設(shè)計(jì)洪峰流量；n為洪水過(guò)程線總結(jié)點(diǎn)數(shù)；m為控制時(shí)段洪量的時(shí)段數(shù)；Wt，Wp分別為典型年和設(shè)計(jì)洪水時(shí)段洪量；t為時(shí)段洪量歷時(shí)；wJ為放大后時(shí)段統(tǒng)計(jì)洪量；ε為誤差率。

計(jì)算時(shí)，首先根據(jù)典型洪水和設(shè)計(jì)洪水的Wt和Wp計(jì)算出Qx和Qy，然后按式（5）以典型洪水過(guò)程各結(jié)點(diǎn)值作為Qc，求出各結(jié)點(diǎn)放大后的Q后，統(tǒng)計(jì)計(jì)算各時(shí)段洪量wJ，判斷是否滿足目標(biāo)函數(shù)或（8）關(guān)系，若不滿足，以各結(jié)點(diǎn)Q替代Qc，重新計(jì)算Qx和各結(jié)點(diǎn)Q，以此類(lèi)推經(jīng)多次迭代直至滿足式（8）關(guān)系為止。

3.3 洪峰修正

由洪量分配并經(jīng)洪水放大的分區(qū)洪水，組合后在峰值附近洪水過(guò)程，通常與設(shè)計(jì)洪水過(guò)程不吻合，尤其是控制地點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水是以峰、量同頻控制放大的情況下，相差更甚。由于各分區(qū)洪水中除了與控制地點(diǎn)采用峰、量同頻設(shè)計(jì)的分區(qū)外，其它分區(qū)洪水的峰值是不確定的，或者說(shuō)是可調(diào)整的，故可以通過(guò)修正各非同頻設(shè)計(jì)分區(qū)洪水的洪峰值，并帶動(dòng)峰尖附近的洪水過(guò)程改變，以達(dá)到組合洪水和設(shè)計(jì)洪水兩者吻合的目的。在分區(qū)較多的情況下，由于各分區(qū)洪水在組合地點(diǎn)峰尖相互交錯(cuò)，如何修正常無(wú)從下手。在工作中總結(jié)了一種方法，權(quán)且叫做峰值比重遞修法，該法是比較合理有效和實(shí)用的。

基本思路是，在修正各分區(qū)洪水洪峰值時(shí)，是以組合洪峰Qz與設(shè)計(jì)洪峰Qp數(shù)差值△Q達(dá)到最小為目標(biāo)，即以各分區(qū)洪峰分擔(dān)△Q，因而洪峰值大的分區(qū)其修正值亦應(yīng)大些；另外如果洪水組合時(shí)采用了洪水演算方法時(shí)，各分區(qū)至控制地點(diǎn)的洪水傳播時(shí)間越長(zhǎng)，其河道調(diào)蓄作用越大，對(duì)峰值變化的影響越大，故以各分區(qū)洪峰值和傳播時(shí)間的權(quán)重關(guān)系作為各分區(qū)洪峰的修正系數(shù)R。修正后將各分區(qū)洪水演進(jìn)或平移至控制地點(diǎn)，進(jìn)行組合，計(jì)算△Q，判斷洪峰誤差率是否在規(guī)定范圍，如若不然，繼續(xù)修正，直到誤差在規(guī)定范圍內(nèi)。

4 舉例

石佛寺控制地點(diǎn)位于遼河中下游，其右側(cè)支流清河、柴河、范河上建有4座水庫(kù)，根據(jù)洪水組成特性和工程狀況，將石佛寺以上分為5個(gè)洪水分區(qū)，即南城子水庫(kù)、清河水庫(kù)、柴河水庫(kù)、榛子嶺水庫(kù)和四庫(kù)至石佛寺區(qū)間。按四庫(kù)至石佛寺區(qū)間與控制地點(diǎn)石佛寺同頻設(shè)計(jì)，各水庫(kù)分區(qū)相應(yīng)的組成方案進(jìn)行分析，用1953年洪水作為典型年，控制地點(diǎn)和各分區(qū)地點(diǎn)均按洪峰，3 d,7 d,13 d洪量分段同控制放大設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線。洪水組合時(shí)采用典型年的洪水演進(jìn)參數(shù)進(jìn)行演進(jìn)組合。計(jì)算結(jié)果如下。

表1列出了典型年洪水特征值和根據(jù)擬定地區(qū)洪水組成方案，并按動(dòng)態(tài)平衡原則計(jì)算了RQ，RS等系數(shù)。

表1 1953年典型洪水計(jì)算表

分區(qū)洪水的推求與修正結(jié)果及組合洪水與設(shè)計(jì)洪水比較見(jiàn)表2及圖2、圖3。

5 思考與結(jié)論

流域設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成分析計(jì)算中常遇到的問(wèn)題是上游洪水與區(qū)間的洪水過(guò)程組合成果與下游控制地點(diǎn)很難吻合的情況，通過(guò)上述的方法可以基本達(dá)到全區(qū)組合洪水過(guò)程線與下游控制點(diǎn)的組合過(guò)程線相吻合，組合洪水與下游控制地點(diǎn)設(shè)

表2 分區(qū)洪水分配及修整計(jì)算表

圖2 組合洪水與設(shè)計(jì)洪水參照?qǐng)D（P=10%）

計(jì)洪水相比，設(shè)計(jì)洪峰、設(shè)計(jì)洪量基本可以達(dá)到一致，兩者洪水過(guò)程的偏差基本控制在可以接受的范圍以內(nèi)，方法可以實(shí)現(xiàn)流域成果的平衡，一般能夠達(dá)到滿意的效果。

［1］周彥紅.中小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法［J］.吉林水利，2014（21）：60-60.

［2］周紅蓮.小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水若干問(wèn)題的探討［J］.海河水利，1994（1）：15-21.

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1002—0624（2017）12—0042—03

2017-05-31