嘉陵江凤州水文站洪水分析计算

高 娜，范丽华

（1.宝鸡水文水资源勘测中心,陕西 宝鸡 721000；2.榆林水文水资源勘测中心,陕西 榆林 719000）

0 前言

嘉陵江源于陕西省宝鸡市凤县,是长江流域上游的一条重要支流,陕西境内流经凤县东河桥,黄牛铺镇、凤州镇,于凤县双石铺西南8 km处入甘肃两当、徽县,又从汉中市略阳县白水镇复入陕境,继而蜿蜒南流,经横现河、洛阳城西、宁强县流入四川广元,于重庆朝阳门注入长江。干流全长1120 km,流域面积16万km2,平均比降2.5‰。其中宝鸡市干流长102 km,流域面积2472.4 km2。

嘉陵江径流年内分布不均,因此洪水灾害时有发生,暴雨是嘉陵江洪水形成的主要因素。

根据暴雨区位置分布不同,该流域主要有三种洪水类型。一是全流域发生较大强降雨所形成的峰量和洪量都较大的洪水；二是上游强降雨造成的持续时间长,洪水峰量一般,但洪水总量大的洪水；三是中游强降雨形成的持续时间短,洪峰大,局部性强的洪水。根据多年资料表明,上游秦岭一带多出现短历时暴雨,强度大,易造成洪水灾害[1]。

嘉陵江洪水主要集中在汛期（5月～10月）,一般洪水主要发生在5月～10月,特大洪水主要发生在7月～9月。洪水特性历时短、洪峰高,历时一般2天～3天,由秋季连阴雨形成的洪水,峰型矮胖,历时较长。凤州水文站为嘉陵江上游重要控制站,通过对该站实测洪水资料系列进行三性审查分析,并进行频率计算,得出不同频率下的洪峰流量[2]。

1 凤州水文站基本情况

凤州水文站于1984年建站,地处陕西省凤县龙口镇,位于东经106°38',北纬33°58',测站控制流域面积688 km2。该站为嘉陵江上游中等面积区域代表站,其上游主要支流有场房沟、黄牛沟、三岔河、红花沟。流域内设立有黄牛铺、红花铺、河口、小五岭、唐藏、凤县、南星等雨量站。测验河段为沙砾石河床,河段顺直,下游2 km处有安河汇入,测站控制良好,洪水主要来源于嘉陵江上游及区间,水位流量关系呈绳套型,一般沙峰迟于水峰。测验项目有水位、流量、泥沙、降水量、蒸发量。水系站网分布见图1。

图1 嘉陵江凤州水文站站网分布图

2 历史洪水调查

根据凤县志记载,凤县自1900年以来共发生过3次特大洪水,分别为1933年、1981年、1990年[3]。对于1981年洪水,根据凤县水利志,凤州水文站资料及陕西省洪水调查成果,综合分析确定洪峰流量为1640 m3/s,重现期为500年一遇[1]。

3 水文资料 “三性”分析

3.1 可靠性分析

凤州水文站属国家基本水文站,测验河段比较顺直,矩形河槽,高水控制良好,洪水时断面冲淤变化大,上下游附近无支流汇入。本次洪水分析所用水文样本资料为该站1984年～2022年水文年鉴整编资料成果,该成果经过整编刊印,水文资料准确连续,满足分析可靠性要求。

3.2 一致性分析

通过调查,嘉陵江风州水文站自建站以来,上下游流域无修建水库、河道整治、灌溉引水等大中小型水利工程和水土保持措施,人类活动影响较小,样本资料系列的一致性较好,因此,对洪水资料无需进行修正和还原计算。

绘制凤州水文站年最大洪峰流量累积曲线,见图2。由图2可看出,该站年最大洪峰流量随时间变化没有明显的增加或减少趋势,累计曲线点群分布规律,斜率基本一致,因此整个年最大洪峰流量系列具有较好的一致性。

3.3 代表性分析

3.3.1 系列丰、平、枯变化分析

对凤州水文站年最大洪峰流量系列利用洪峰流量过程线及洪峰流量模比系数差积曲线进行丰枯变化分析。

（1）洪峰流量过程线分析

绘制历年最大洪峰流量历时曲线,见图3。由图3可以看出,在39年实测洪水资料中,包含了大、中、小各种洪水,其中较大洪水主要发生在1990年和2020年,洪峰流量分别为972 m3/s和558 m3/s,一般性洪水有1993年、2000年、2003年、2022年,枯水年有1994年、1995年、2002年。洪水分析所用资料系列中大洪水、一般洪水、小洪水相间出现,资料系列连续,代表性好,能满足洪水频率计算要求[2]。

图3 凤州水文站年最大洪峰流量图

（2）差积曲线分析

点绘历年最大洪峰流量差积曲线,见图4。由图4可以看出,洪峰流量差积曲线从1984年～2022年大致可以分为3个阶段,即1984年～1990年间,差积曲线为上升期,表示该期间洪峰流量偏离均值向上,也就是丰水段；1993年～2002年,差积曲线为下降,表示该期间洪峰流量偏离均值向下,也就是枯水段；2003年～2022年,差积曲线为上下交错期,表示该时期洪峰流量丰、平、枯交替出现。

图4 凤州水文站年最大洪峰流量差积曲线

通过上述分析,嘉陵江凤州水文站39年实测洪水资料系列中包含了丰、平、枯且交错出现,总体样本能较好地反映出嘉陵江上游段的洪峰流量的总体分布规律,资料系列代表性良好,满足洪水分析计算要求。

3.3.2 统计参数稳定性分析

（1）累积均值分析

对凤州水文站洪峰流量分别进行顺时序、逆时序累积均值计算,并点绘洪峰流量累积均值随年份的变化曲线,见图5。从图5中可以看出,随着年份的增加,洪峰流量顺时序、逆时序累积均值均逐渐趋于稳定,并不断向均值靠近。

图5 凤州水文站年最大洪峰流量累积均值与历时关系图

（2）累积CV值分析

对凤州水文站洪峰资料系列进行顺、逆时序CV值累积计算,点绘CV值随年份变化的过程线图,见图6。由图6可以看出,无论是正时序还是逆时序,累积CV值随着资料系列的增加均趋于稳定。

图6 凤州水文站年最大洪峰流量累积CV 值与历时关系图

经综合分析得出,随着洪水系列的增加,系列顺、逆时序洪峰流量累积均值和变差系数CV值均趋于稳定,因此,作为洪水频率分析计算所选取的资料系列代表性良好。

4 凤州水文站不同频率洪峰流量计算

将凤州水文站1984年～2022年共39年实测洪水和历史洪水（1981年）组成的不连序洪水系列,选择独立样本法进行频率计算,在计算时将1981年调查洪水作为特大值进行处理,重现期500年一遇,用矩法初估统计参数值,采用皮尔逊Ⅲ曲线适线调整初估参数,统计参数及计算结果见表1,频率曲线见图7。

图7 凤州水文站洪峰流量频率曲线图

对于实测系列构成的样本,n个观测值是连序的,故经验频率为：

对于调查考证期N年内的特大值系列,特大洪水经验频率为：

表1 凤州水文站设计洪峰流量计算成果表 单位：m3/s

5 结语

凤州站作为嘉陵江宝鸡段唯一控制站,收集嘉陵江各项水文特征,为防汛抗旱部门及下游地区提供实时水文情报预报,为防灾减灾提供了依据。自1984年建站以来,凤州水文站实测洪水资料系列连续,真实可靠,系列一致性、代表性较好,洪水系列不仅包含了丰、平、枯变化且随着年际增加均值、CV值均趋于稳定,洪峰流量总体样本能够反映出嘉陵江上游段洪峰的总体分布规律。

经过上述分析计算,确定凤州水文站100年一遇洪水（P=1%）,Q洪峰=1160 m3/s；50年一遇洪水（P=2%）,Q洪峰=980 m3/s；30年一遇洪水（P=3.33%）,Q洪峰=860 m3/s；20年一遇洪水（P=5%）,Q洪峰=750 m3/s；10年一遇洪水（P=10%）,Q洪峰= 580 m3/s,5年一遇洪水（P=20%）,Q洪峰=410 m3/s。