縱向嶺谷區(qū)小流域洪水匯流參數(shù)外延分析-

1、收稿日期:2006-09-25基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”資助項(xiàng)目(2003C B415100作者簡介:柏紹光,男,云南省水文水資源局昆明分局,高級工程師。水資源研究第28卷第1期(總第102期2007年3月縱向嶺谷區(qū)小流域洪水匯流參數(shù)外延分析柏紹光1黃英2方紹東1李自順2(1.云南省水文水資源局昆明分局,云南昆明650224;2.云南省水文水資源局,云南昆明650106摘要:基于同一小流域各場洪水匯流參數(shù),即納希瞬時(shí)單位線(I UH 參數(shù)(n 、k 隨主凈雨強(qiáng)度呈一定規(guī)律變化的特點(diǎn),根據(jù)實(shí)測暴雨洪水資料分析各場次匯流參數(shù),并建立滯時(shí)(m =n k 與主凈雨強(qiáng)度關(guān)系,以此來外延

2、設(shè)計(jì)條件下的匯流參數(shù)。分析結(jié)果表明,此法結(jié)果與實(shí)測洪水計(jì)算的設(shè)計(jì)值較為接近,其參數(shù)更具有明確的物理意義,是目前云南地區(qū)洪水資料短缺的小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的有效途徑之一。關(guān)鍵詞:縱向嶺谷區(qū)小流域;洪水匯流參數(shù)外延;滯時(shí);變雨強(qiáng)納希瞬時(shí)單位線1概述云南省縱向嶺谷區(qū)(即高黎貢山、橫斷山、哀牢山及毗鄰的南北走向山系河谷區(qū)內(nèi)河流多,水資源豐富,水能資源蘊(yùn)藏量集中,開發(fā)潛力較大,但眾多的小流域水文站點(diǎn)稀少,屬洪水資料短缺地區(qū),給水利工程及防洪規(guī)劃設(shè)計(jì)帶來一定的困難。為此,現(xiàn)行水利水電設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范(S L 44931、小型水力發(fā)電站水文計(jì)算規(guī)范(S L 77942明確指出:“當(dāng)站址或其上下游附近實(shí)測洪水資

3、料短缺時(shí),主要應(yīng)根據(jù)暴雨途徑推求設(shè)計(jì)洪水”。顯然,對洪水資料短缺的小流域進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí),納希瞬時(shí)單位線法是通常采用的方法之一,由于它簡便實(shí)用,且能綜合反映流域地形、地貌等匯流特性,因而獲得廣泛的應(yīng)用。該法的實(shí)質(zhì)就是將設(shè)計(jì)暴雨經(jīng)產(chǎn)流、匯流計(jì)算后轉(zhuǎn)化為控制斷面設(shè)計(jì)洪水,其中產(chǎn)流參數(shù)與植被、土壤有關(guān),一般可根據(jù)水量平衡原理和選配蓄水容量曲線方程后確定;匯流參數(shù)與流域地理特征(如面積、河長、比降、暴雨分布、暴雨強(qiáng)度等有關(guān),一般多采用矩法估計(jì),但從目前實(shí)際運(yùn)用情況看,由實(shí)測暴雨洪水資料分析求得的各場次洪水的匯流參數(shù)(n 、k 并不相同,尤其k 值隨主凈雨強(qiáng)度變化較為顯著,使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相差較大,

4、究其原因,除資料本身帶來誤差外,與降雨時(shí)空分布不均勻、凈雨強(qiáng)度、水源組成比例不同以及河道基流等因子有直接關(guān)系。為尋求適用于設(shè)計(jì)條件下的匯流參數(shù),筆者曾分析匯流參數(shù)約束條件3并運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)踐,結(jié)果表明:倘若采用大暴雨洪水資料分析,匯流參數(shù)基本能代表稀遇頻率的情況,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際接近,但常遇洪水較實(shí)際偏小;反之,稀遇洪水偏小而常遇洪水偏大,依然存在固定流域匯流參數(shù)不變的問題。因此,僅根據(jù)約束條件來選擇匯流參數(shù)有其局限性,并沒有從根本上解決匯流參數(shù)外延的使用問題?；谌缟纤龇椒ù嬖诘闹T多問題,筆者在分析匯流參數(shù)約束條件的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)測暴雨洪水資料,進(jìn)一步探討主凈雨強(qiáng)度與匯流參數(shù)的定量關(guān)系,即變雨

5、強(qiáng)單位線,這對于洪水資料短缺的云南縱向嶺谷區(qū)內(nèi)小流域設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算具有十分重要的意義。2主凈雨強(qiáng)度與滯時(shí)關(guān)系分析從系統(tǒng)的概念出發(fā),可以把流域匯流過程視為一個(gè)系統(tǒng)的作用過程,系統(tǒng)響應(yīng)的滯時(shí)就是這個(gè)系統(tǒng)輸入和輸出過程各自形狀中心的時(shí)距差,即一階原點(diǎn)矩。若把凈雨過程作為輸入,洪水過程作為輸出,則流域匯流被視為系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù),也即納希瞬時(shí)單位線函數(shù),其時(shí)距即為流域納希瞬時(shí)單位線滯時(shí)。如果系統(tǒng)是線性時(shí)不變,那么對于一個(gè)固定流域來說,納希瞬時(shí)單位線的滯時(shí)為一常數(shù),它具有與雨強(qiáng)和雨時(shí)無關(guān)的特性,但實(shí)踐證明,滯時(shí)隨主雨強(qiáng)的變化而變化,基于此,設(shè)法通過主凈雨強(qiáng)度和匯流參數(shù)之間建立關(guān)系來體現(xiàn)。根據(jù)推導(dǎo)4:一階原點(diǎn)矩

6、(滯時(shí)與匯流參數(shù)具有m =n k ,其中n 、k 為納希模式中的兩個(gè)參數(shù)。根據(jù)我國部分地區(qū)實(shí)測暴雨洪水資料的分析表明,滯時(shí)與主凈雨強(qiáng)度可建立如下關(guān)系式:m =n k =i-(1式中i 為主凈雨強(qiáng)度,mm h ;、為待定參數(shù)。對于n 、k 值的確定,可借助力學(xué)中的矩法公式計(jì)算,其表達(dá)式如下:n =M (1Q -M (1I 2N (2Q -N (2I (2k =N (2Q -N (2IM (1Q -M (1I(381式中M(1Q 、M(1I、N(2Q、N(2I分別為出流Q及凈雨I的一階一點(diǎn)矩、二階中心矩?，F(xiàn)以麻木水文站及其流域內(nèi)各雨量站實(shí)測雨洪資料為例,首先,依次分析產(chǎn)流和匯流參數(shù),再分析各次洪水

7、匯流參數(shù)與主凈雨強(qiáng)度關(guān)系,以此外延設(shè)計(jì)條件下的匯流參數(shù)。麻木站位于縱向嶺谷區(qū)內(nèi)的紅河下游左岸一級支流小河底河上游(稱順甸河,面積692km2,屬山區(qū)小流域。流域處于橫斷山脈延伸段哀牢山東部,屬中亞熱帶濕潤氣候區(qū),流域降雨量較豐沛,其量介于11001500mm之間,森林植被較好,植物根系發(fā)育,表層土質(zhì)疏松,下滲能力較大,基流較為穩(wěn)定,多年平均徑流系數(shù)在0.40以上,次洪水徑流過程呈陡漲緩落偏態(tài)型,是典型南方濕潤地區(qū)。該站有19592000年實(shí)測暴雨洪水以及調(diào)查的歷史洪水資料,流域內(nèi)另有新平、迭嘎兩個(gè)雨量站(實(shí)測雨量資料均在30 a以上,經(jīng)復(fù)核,各站資料質(zhì)量可靠,且該3站基本能反映流域面雨量的空間

8、分布情況。2.1產(chǎn)流參數(shù)基于南方濕潤地區(qū)特點(diǎn),產(chǎn)流方式采用蓄滿產(chǎn)流模型,其蓄水容量曲線線型采用b次拋物線。經(jīng)根據(jù)15a資料分析檢驗(yàn)后確定產(chǎn)流參數(shù):最大土壤含水量Wm=120,b=0.4,穩(wěn)滲率fc=1.8mmh。2.2匯流參數(shù)根據(jù)資料條件,選擇麻木站實(shí)測且較為孤立的大、中量級洪水(洪峰流量大于500m3s共5場的雨洪資料,分析主凈雨強(qiáng)度及瞬時(shí)單位線參數(shù)。其中計(jì)算時(shí)段的確定,主要根據(jù)流量過程線的漲落趨勢,并以漲洪段至少有23個(gè)控制點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)考慮降雨強(qiáng)度在一個(gè)時(shí)段內(nèi)盡量均勻等要求取t=1h。首先,按二水源(直接和地下原理劃分水源,推求直接和地下徑流過程;然后,根據(jù)累積降雨過程按蓄水容量曲線方程

9、計(jì)算累積地面凈雨量,計(jì)算地面凈雨量和主凈雨強(qiáng)度;最后,根據(jù)地面凈雨過程和地表徑流過程分別按式(2、式(3計(jì)算納希瞬時(shí)單位線無因次參數(shù)(n、k,結(jié)果見表1。表1麻木站各次洪水匯流參數(shù)洪號(年-月-日n k mi(mmh-11968-09-28 1.7 5.18.67 6.8 1971-06-26 1.6 5.18.1610.7 1987-06-14 1.5 4.5 6.7523.4 1990-07-09 1.7 3.8 6.4632.5 1997-08-01 1.6 5.18.1610.1根據(jù)表1中m、i值建立雙對數(shù)關(guān)系,見圖1。從圖1中可看出,m與i關(guān)系較為密切且呈指數(shù)規(guī)律變化,也即k值隨洪水

10、量級增大而減小,此變化符合k值為洪水波傳播時(shí)間的物理意義,按其特點(diǎn)定線并經(jīng)最小二乘法計(jì)算得待定參數(shù)分別為:=12.896、=-0.2003。從表1中也可看出,由于參數(shù)n與凈雨強(qiáng)關(guān)系不大,且n值變化范圍較小,故可視為定值,此處取n=1.7。設(shè)計(jì)條件下的匯流參數(shù)按其步驟確定:(1將設(shè)計(jì)暴雨過程經(jīng)產(chǎn)流計(jì)算后求主凈雨強(qiáng)度;(2根據(jù)圖1關(guān)系式計(jì)算m值;(3根據(jù)式:m=nk分別計(jì)算k值(n取定植,由此可求得變雨強(qiáng)納希瞬時(shí)單位線,也即外延了設(shè)計(jì)條件下的匯流參數(shù) 。圖1麻木站mi關(guān)系3變雨強(qiáng)匯流參數(shù)檢驗(yàn)推求變雨強(qiáng)匯流參數(shù)的目的是用于推求各設(shè)計(jì)頻率洪水,因此,變雨強(qiáng)匯流參數(shù)是否合理的問題尚須通過檢驗(yàn),現(xiàn)仍采用麻

11、木站實(shí)測洪水計(jì)算結(jié)果來對比分析。(1采用變雨強(qiáng)匯流參數(shù)推求設(shè)計(jì)洪水。設(shè)計(jì)暴雨及其分配:根據(jù)順甸河(麻木站以上流域1d降雨量遞增率(約為0. 51.0mm100m,按其流域平均高程(1828m修正最大24h 暴雨量,而最大1、6h暴雨量均值根據(jù)麻木站最大1、6h暴雨量均值占最大24h暴雨量均值的比值和云南省暴雨徑流查算圖表中暴雨等值線所查的最大1、6h暴雨量均值占最大24h暴雨量均值的比值綜合后取較合理的比值(分別為0.50、0.739計(jì)算;基于本流域暴雨成因基本一致和各站最大1d降雨量Cv值接近的特點(diǎn),各時(shí)段暴雨量變差系數(shù)Cv值直接采用麻木站經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算結(jié)果,即分別為0.38、0.36、0.3

12、4,繼而求得設(shè)計(jì)暴雨量;鑒于流域地形變化復(fù)雜,暴雨分布極不均勻的情況,將點(diǎn)設(shè)計(jì)暴雨量按面積大小查云南省暴雨徑流查算圖表中的“云南省暴雨分區(qū)綜合點(diǎn)面折減系數(shù)關(guān)系表”的系數(shù)折算為面設(shè)計(jì)面暴雨量;選擇麻木站1990年7月9日過程作典型,按同頻率控制放大求得面設(shè)計(jì)暴雨過程。產(chǎn)、匯流計(jì)算:首先,將面設(shè)計(jì)暴雨過程按經(jīng)分析確定的產(chǎn)流參數(shù)(b=0.4、Wm=120mm、Kr=0.939、fc=1.8mmh由蓄水容量曲線方程進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算,分別推求設(shè)計(jì)地面和地下凈雨過程;然后,將地面凈雨量過程按變雨強(qiáng)匯流參數(shù)計(jì)算地表設(shè)計(jì)洪水,將地下凈雨過程按馬斯京根法線性水庫(即x=0特例方法演算地下設(shè)計(jì)徑流,基流則根據(jù)麻木站實(shí)

13、測枯水資料分析確定為一常數(shù);最后,將地表、地下、基流3部分迭加并作滑動(dòng)統(tǒng)計(jì)后得設(shè)計(jì)洪水特征值,其結(jié)果見表2。(2用實(shí)測、調(diào)查(或插補(bǔ)洪水資料推求設(shè)計(jì)洪水。將麻木站實(shí)測(19592000年和調(diào)查(或插補(bǔ)(1906、1927年組成的洪峰及1d洪量不連序樣本系列分別進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算,矩法初估統(tǒng)計(jì)參數(shù),按P型線型用適線法確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)(洪峰均值255m3s,C v=0.85,C s=3.5C v;1d洪量均值778萬m3, C v=0.62,C s=3.5C v,計(jì)算結(jié)果見表2。從表2結(jié)果看出,不論是洪峰還是1d洪量,變雨強(qiáng)匯流參數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測洪水計(jì)算結(jié)果都較為接近,相差均在10%以內(nèi),其中洪峰相對誤

14、差隨頻率變化在0.56%3.75%之間,1d 洪量在2.87%7.10%之間,說明設(shè)計(jì)洪水計(jì)算考慮變雨強(qiáng)匯流參數(shù)是符合實(shí)際的,至于1d洪量相對誤差較洪峰的相對誤差大,其原因主要是納希瞬時(shí)單位線法計(jì)算出流過程存在固有91偏于矮胖的缺陷所致。表2麻木站設(shè)計(jì)洪水對照頻率%實(shí)測洪水變雨強(qiáng)匯流參數(shù)洪峰(m3s-11d洪量萬m3洪峰(m3s-11d洪量萬m30.118003733181038400.2160033801610351011130255611402670293722059472320568917436981840105121400521149020347105711324結(jié)語(1云南省縱向嶺谷

15、區(qū)內(nèi)的地形、地貌極其復(fù)雜,受其“通道阻隔”作用的影響,區(qū)域內(nèi)水文氣候、地理特性差異大,暴雨時(shí)空分布極不均勻,同一流域各場次洪水匯流參數(shù)隨凈雨強(qiáng)度的變化是客觀存在的,因此,當(dāng)采用暴雨途徑推求設(shè)計(jì)洪水時(shí)應(yīng)考慮主凈雨強(qiáng)度的影響因子。(2同一流域洪水匯流參數(shù)中的k值具有隨凈雨強(qiáng)度的增大而遞減,而n值具有相對穩(wěn)定性的規(guī)律。(3由于暴雨空間分布不均勻性、水源組成比例以及基流不同,造成滯時(shí)與凈雨強(qiáng)度關(guān)系非線性的因素較多,但主要是各時(shí)段凈雨強(qiáng)度,因此,還有待進(jìn)一步研究各時(shí)段變雨強(qiáng)對一次洪水匯流參數(shù)的影響問題。參考文獻(xiàn):1水利部長江水利委員會.水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范.北京:水利電力出版社,1993.2水利

16、部農(nóng)村電氣化研究所.小型水力發(fā)電站水文計(jì)算規(guī)范.北京:水利電力出版社,1994.3柏紹光,傅驊.小流域洪水匯流參數(shù)適應(yīng)性研究.水電能源科學(xué),1999,17(4:3133.4長江流域規(guī)劃辦公室.水文預(yù)報(bào)方法.北京:水利出版社,1982.小知識泥石流的分類泥石流是山區(qū)溝谷中,由暴雨、冰雪融水等水源激發(fā)的、含有大量泥沙石塊的特殊洪流。其特征往往突然暴發(fā),渾濁的流體沿著陡峻的山溝前推后擁、奔騰咆哮而下,地面為之震動(dòng),山谷猶如雷鳴,在很短時(shí)間內(nèi)將大量泥沙石塊沖出溝外,在寬闊的堆積區(qū)橫沖直撞、漫流堆積,常常給人類生命財(cái)產(chǎn)造成很大危害。泥石流按其物質(zhì)成分可分成3類:由大量粘性土和粒徑不等的砂粒、石塊組成的叫

17、泥石流;以粘性土為主,含少量砂粒、石塊,粘度大,呈稠泥狀的叫泥流;由水和大小不等的砂粒、石塊組成的謂之水石流。泥石流按其物質(zhì)狀態(tài)可分為2類:粘性泥石流,含水量粘性土的泥石流或泥流。其特征是:粘性大固體物質(zhì)占40%60%,最高達(dá)80%。水不是搬運(yùn)介質(zhì),而是組成物質(zhì)。稠度大石塊呈懸浮狀態(tài),暴發(fā)突然,持續(xù)時(shí)間短,破壞力大。稀性泥石流,以水為主要成分,粘性土含量少,固體物質(zhì)占10% 440%,有很大分散性。水為搬運(yùn)介質(zhì),石塊以滾動(dòng)或躍移方式前進(jìn),具有強(qiáng)烈的下切作用。其堆積物在堆積區(qū)呈扇狀散流,停積后似“石?！?。以上分類是我國最常見的兩種分類。除此之外還有多種分類方法。如按泥石流的成因分類有:冰川型泥石

18、流,降雨型泥石流;按泥石流溝的形態(tài)分類有:溝谷型泥石流,山坡型泥石流;按泥石流流域大小分類有:大型泥石流,中型泥石流和小型泥石流;按泥石流發(fā)展階段代發(fā)類有:發(fā)展期泥石流,旺盛期泥石流和衰退期泥石流等等。泥石流對人類的危害泥石流常常具有暴發(fā)突然、來勢兇猛、迅速之特點(diǎn),并兼有崩塌、滑坡和洪水破壞的雙重作用,其危害程度往往比單一的滑坡、崩塌和洪水的危害更為廣泛和嚴(yán)重。它對人類的危害具體表現(xiàn)在如下4個(gè)方面:(1對居民點(diǎn)的危害。泥石流最常見的危害之一是沖進(jìn)鄉(xiāng)村、城鎮(zhèn),摧毀房屋、工廠、企事業(yè)單位及其他場所、設(shè)施。淹沒人畜,毀壞土地,甚至造成村毀人亡的災(zāi)難。例如1969年8月,云南大盈江流域弄璋區(qū)南拱泥石流使新章金,老章金兩村被毀, 97人喪生,經(jīng)濟(jì)損失近百萬元。(2對公路、鐵路的危害。泥石流可直接埋沒車站、鐵路、公路、摧毀路基、橋涵等設(shè)施,致使交通中斷,還可引起、正在運(yùn)行的火車、汽車顛覆,造成重大的人身傷亡事故。有時(shí)泥石流匯入河流,引起河道