鞠玉梅,張恩浩,樊玨

(1.四川省水文水資源勘測中心,成都,610036;2.西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,成都,610039)

設(shè)計(jì)洪水成果是確定河流治理方案和開發(fā)水利水電工程規(guī)模的重要依據(jù)數(shù)據(jù),是開展流域水旱災(zāi)害防御工作的重要支撐數(shù)據(jù)。目前許多水文學(xué)者針對流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算做了不少研究[1]。本文以涪江流域?yàn)槔?選取流域內(nèi)涪江橋水文站實(shí)測年最大流量資料,分析研究受氣候及下墊面條件變化影響后流域設(shè)計(jì)洪水成果的變化情況。

1 流域概況

1.1 流域基本情況

涪江是嘉陵江右岸支流,發(fā)源于松潘縣黃龍鄉(xiāng)岷山雪寶頂峰西北之雪山梁子。河長660km,流域面積35982m2,水系呈樹枝狀發(fā)育,支流眾多。河源至江油市武都鎮(zhèn)為上游;武都鎮(zhèn)至遂寧市城區(qū)為中游;遂寧城區(qū)至河口為下游。上游段屬龍門山斷裂褶皺帶,變質(zhì)巖發(fā)育,地面起伏大,河道行于高山峽谷中,河谷狹窄,僅平武縣南壩鎮(zhèn)一帶有沿河平壩,中下游段屬四川臺向斜川北臺凹平緩褶皺帶。流域內(nèi)氣候溫和,年均氣溫15℃～18℃,年降水量一般800mm～1400mm。干支流洪枯水量變化很大,大支流凱江、梓潼江枯水期甚至有斷流現(xiàn)象。

1.2 涪江橋水文站基本情況

涪江流域綿陽市境內(nèi)有涪江橋水文站,設(shè)立于1954年8月,位于綿陽市石馬鎮(zhèn)七姓村、寶成鐵路大橋下游480m處涪江左岸,東經(jīng)104°44′、北緯31°31′,集水面積11908km2,域內(nèi)河長292km,至河口距離378km,高程系統(tǒng)于2023年改為85黃海基面。該站收集有1954-2021年共68a的年最大流量資料(其中1961年是通過年最高水位查水位流量關(guān)系線得到),分析知年最大流量整體呈下降趨勢。涪江橋河段在1984年調(diào)查到3場可靠或較可靠的歷史洪水:1902年(較可靠,14800 m3/s)、1945年(較可靠,12600 m3/s)、1978年(可靠,10300 m3/s,在實(shí)測資料中)。

涪江流域涪江橋站上游58km處建有武都水庫,武都水庫為大型水庫,于2004年開工,2013年建成。

2 “三性”審查

根據(jù)《水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范》(SL/T 278-2020)的相關(guān)規(guī)定,對涪江橋站的年最大流量資料進(jìn)行可靠性、代表性、一致性“三性”審查[2]。

2.1 可靠性審查

涪江橋站依據(jù)數(shù)據(jù)均為整編后提交的成果,經(jīng)緯度信息齊全,年最大流量資料的測驗(yàn)和整編都嚴(yán)格按照國家或部頒相關(guān)規(guī)范進(jìn)行,且均經(jīng)省水文中心組織復(fù)審整編,達(dá)到國家水文資料編印標(biāo)準(zhǔn),資料真實(shí)可靠。

2.2 代表性審查

代表性是指樣本的統(tǒng)計(jì)特性能否很好地反映總體的統(tǒng)計(jì)特性,即樣本與總體的接近程度。從資料系列的周期性、穩(wěn)定性和代表期來檢驗(yàn)代表性。本次采用涪江橋站年最大流量系列對代表性進(jìn)行分析。

2.2.1 周期性分析

本次分析采用模比系數(shù)差積曲線來反映周期性。

模比系數(shù)差積曲線表示為:Si=Si-1+(Ki-1)

經(jīng)過周期性分析,涪江橋站系列資料滿足周期性。周期性分析如圖1、圖2所示,過程線中有上升段、下降段、穩(wěn)定段,表示年最大流量系列周期性較好。

圖1 最大流量模比系數(shù)差積曲線

圖2 年最大流量小波分析曲線

2.2.2 穩(wěn)定性分析

分析涪江橋站年最大流量資料模比系數(shù)累積平均值曲線(見圖3)來反映其穩(wěn)定性,系列模比系數(shù)累積平均值計(jì)算到一定年限,數(shù)值波動幅度逐漸變小,并逐漸趨近于1.0,這時(shí)認(rèn)為曲線值具有一定的穩(wěn)定性。經(jīng)過穩(wěn)定性分析,涪江橋站資料系列的模比系數(shù)累積平均值逐漸趨近于1.0,說明穩(wěn)定性好。

圖3 累積量平均模比系數(shù)過程線

涪江橋站歷年最大洪峰流量穩(wěn)定性好,且包含了豐、平、枯水年的周期變化情況,資料具有較好代表性,可用于設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算。

2.3 一致性審查

年最大流量系列滿足一致性假定是進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算的前提,本文采用累積年最大流量檢查法檢驗(yàn)系列是否滿足一致性,如果不滿足,采用Pettitt突變檢測法進(jìn)行異常值分析。

2.3.1 累積年最大流量檢查

計(jì)算涪江橋站累積年最大流量,并繪制累積年最大流量的過程線,如圖4所示,涪江橋站年最大流量累積過程線中1982年有個(gè)突變,2013年以后變化也很明顯,不滿足一致性檢驗(yàn)。

圖4 年最大流量累積過程線

2.3.2 還原計(jì)算

2013年以后涪江橋站年最大流量累積過程線變化明顯是因?yàn)楦⒔瓨蛘旧嫌?8km處武都水庫的調(diào)蓄影響。武都水庫在2013年后有水庫水情表,記錄了不同時(shí)段出、入庫流量及水庫蓄水量,因此可對涪江橋站2013年及以后的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行還原計(jì)算[3]。

考慮洪水傳播時(shí)間,再采用馬斯京根法,將武都水庫出、入庫流量演算到涪江橋站,用涪江橋站實(shí)測流量減去武都水庫出庫流量演算到該站所對應(yīng)時(shí)段的流量,同時(shí)加上武都水庫入庫流量演算到該站所對應(yīng)時(shí)段的流量,最終得到涪江橋站還原后的實(shí)際洪峰流量,再從還原后的流量中找到對應(yīng)的實(shí)測年最大流量。

還原后涪江橋站2018年年最大流量為14169 m3/s(取3位有效位數(shù)后為14200m3/s),比1902年歷史調(diào)查洪水略小,2020年的年最大流量為13070 m3/s(取3位有效位數(shù)后為13100m3/s),比1945年歷史調(diào)查洪水大。還原后得到1954-2021年的年最大流量還原后系列。

2.3.3 Pettitt突變檢測

利用Pettitt突變檢測法分析涪江橋站年最大流量發(fā)生突變的具體年份。Pettitt突變檢測法是由Pettitt提出的一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法[4],可識別水文時(shí)間序列中的突變點(diǎn),同時(shí)也可以量化變異點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)意義上的顯著水平。該方法使用 Mann-Whitney 的統(tǒng)計(jì)量Ut,N來檢驗(yàn)來自同一個(gè)總體x(t)的兩個(gè)樣本序列(x1,x2,…,xt)和(xt+1,xt+2,…,xN)。在檢測到突變點(diǎn)后,其將水文時(shí)間序列數(shù)據(jù)分為兩個(gè)區(qū)間,每個(gè)區(qū)間均具有異質(zhì)性特征。Ut,N的計(jì)算公式為:

式中,xt和xj分別為第t、j個(gè)時(shí)間序列值;N為序列中元素的個(gè)數(shù);sgn為符號函數(shù):

若p> 0.95,則認(rèn)為檢測出的突變點(diǎn)在α= 0.05下是顯著的。本文使用Pettitt突變檢測法對涪江橋站年最大流量系列進(jìn)行突變檢測,可知突變點(diǎn)為1982年。

3 設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算

本次設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算分四種情況:(1)采用1982年突變前涪江橋站年最大流量系列(1954-1981年,1961年通過最高水位查水位流量關(guān)系線插補(bǔ)的流量),加入1902、1945、1978年歷史洪水組成不連續(xù)系列計(jì)算;(2)采用1982年突變后涪江橋站年最大流量系列(1982-2021年,2018、2020年年最大流量作為特大值處理,建庫后系列未還原),加入1902、1945年歷史洪水組成不連續(xù)系列計(jì)算;(3)采用1982年突變后涪江橋站年最大流量系列(1982-2021年,2018、2020年年最大流量作為特大值處理,建庫后系列還原),加入1902、1945年歷史洪水組成不連續(xù)系列計(jì)算;(4)采用涪江橋站1954-2021年全部系列(2018、2020年年最大流量作為特大值處理,建庫后系列還原),加入1902、1945、1978年歷史洪水組成不連續(xù)系列計(jì)算。四種情況分別進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算,以矩法計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)的初值,采用皮爾遜Ⅲ型理論頻率曲線,通過經(jīng)驗(yàn)適線確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)及計(jì)算值。涪江橋站不同情況下設(shè)計(jì)洪水成果見表1。由表1可知,站點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水成果中年最大流量均值1982年突變前明顯大于突變后,突變前百年一遇設(shè)計(jì)洪水成果偏小,5年一遇設(shè)計(jì)洪水成果明顯偏大;受干流武都水庫調(diào)蓄削峰影響,2013年建庫后涪江橋站年最大流量偏小,年最大流量還原后設(shè)計(jì)洪水值較還原前增大,百年一遇設(shè)計(jì)洪水值增大更多,但水庫調(diào)蓄影響的影響程度沒有1982年突變前后的影響程度大。

表1 涪江橋站不同情況設(shè)計(jì)洪水成果對比

4 結(jié)語

本文選取涪江流域內(nèi)涪江橋水文站實(shí)測年最大流量資料,對比突變年份前后的變化,分析研究受氣候及下墊面條件變化影響后流域設(shè)計(jì)洪水成果的變化情況。研究結(jié)果表明,受氣候和下墊面條件變化影響,涪江流域涪江橋水文站年最大流量整體呈下降趨勢,站點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水成果中年最大流量均值1982年突變前明顯大于突變后,突變前百年一遇設(shè)計(jì)洪水成果偏小,5年一遇設(shè)計(jì)洪水成果偏大;2010年以后,極端情況較往年有所增加,涪江流域多次遭遇大洪水,受干流武都水庫調(diào)蓄削峰影響,2013年建庫后涪江橋站年最大流量偏小,年最大流量還原后設(shè)計(jì)洪水值較還原前增大,百年一遇設(shè)計(jì)洪水值增大更多,但水庫調(diào)蓄影響的影響程度沒有1982年突變前后的影響程度大。本文的設(shè)計(jì)洪水分析研究成果為涪江流域水旱災(zāi)害防御工作提供了數(shù)據(jù)支撐,為其他同樣受氣候及下墊面條件變化影響的流域設(shè)計(jì)洪水復(fù)核分析提供了方法參考。