金 鍇,李 暢,劉 遠(yuǎn),袁延泰

(1.湖北省恩施土家族苗族自治州水文水資源勘測局,湖北 恩施 445000,2.湖北省潛江市水文水資源勘測局,湖北 潛江 433100 )

1 工程概況

暴雨洪水對地區(qū)經(jīng)濟(jì)和居民生產(chǎn)生活都具有破壞性的影響[1-3]。通過對某一區(qū)域進(jìn)行暴雨特點(diǎn)、暴雨成因、洪水特點(diǎn)以及洪水成因分析,能夠?yàn)槲磥肀┯旰樗治雠c預(yù)報(bào)等積累經(jīng)驗(yàn),為工程建設(shè)、水文計(jì)算分析提供參考依據(jù)。因此,參考降水和洪水觀測資料分析暴雨洪水具有重要意義[4-9]。廣潤河為清江一級支流馬水河的西支,發(fā)源于重慶奉節(jié)縣的四十二壩,海拔 1 740 m,向東北流經(jīng)西溧瀑布。流域內(nèi)山巒疊嶂,河谷深切,落差集中,綜觀流域地勢呈西北高、東南低,最高峰為西北部的貓兒梁,高程為 2 123 m,地勢從西北逐漸向建始盆地傾斜,山體間遍布V型和箱型深切峽谷。河流由北西向南東,蜿延穿流于中低山之間, 是恩施州典型暴雨中心之一。本文以該區(qū)域的建始水文站(建始城關(guān)水文站)為例,從降水過程及分布、暴雨重現(xiàn)期、洪水特征等多個(gè)方面分析了暴雨洪水成因和過程,得到了暴雨重現(xiàn)期和洪水重現(xiàn)期,為當(dāng)?shù)乇┯觐A(yù)測提供參考。建始水文站以上流域水系和水文站網(wǎng)情況詳見圖1。

2 降水過程及分布

2020年7月26日2時(shí)-14時(shí),建始水文站以上流域普降特大暴雨,流域平均降水量達(dá)210.8 mm,暴雨中心位于代陳溝一帶。單站降水量為 192.5(檀木埡)～291.5 mm(代陳溝)。最大1 h降水量為82.5 mm,發(fā)生在建始城關(guān)站;最大 3 h、6 h、12 h降水量分別為 179.0 mm,265.0 mm、 291.5 mm, 均發(fā)生在代陳溝站。建始水文站以上流域土壤含水量在7月25日8時(shí)處于接近飽和狀態(tài),后續(xù)強(qiáng)降水,導(dǎo)致建始水文站出現(xiàn)峰高量大的洪水。2020年7月26日2時(shí)-14時(shí),建始水文站以上流域降水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1,降水時(shí)程分布情況見建始水文站“20200726”洪水流域平均逐時(shí)降水量柱狀圖見圖2。

圖1 建始水文站以上流域水系和水文站網(wǎng)

表1 建始水文站以上流域2020年7月26日2時(shí)-14時(shí)降水量統(tǒng)計(jì)表

3 暴雨重現(xiàn)期分析

建始水文站“20200726”暴雨特征為歷時(shí)短、總量大、強(qiáng)度大。本次選用建始水文站以上流域內(nèi)具有 30 a以上資料系列代表站(建始、檀木埡、當(dāng)陽壩),將實(shí)測最大 1 h、3 h、6 h、12 h降水量資料(截止2020年) 組成連續(xù)樣本系列,采用 PⅢ型曲線適線(Cs=3.5Cv),計(jì)算出各代表站各設(shè)計(jì)頻率降水量。成果見表 2和表3。

圖2 降水時(shí)程分布情況圖

表2 建始水文站以上流域2020年7月26日2時(shí)-14時(shí)各種短歷時(shí)暴雨重現(xiàn)期成果

表3 建始水文站以上流域2020年7月26日2時(shí)-14時(shí)各種短歷時(shí)暴雨重現(xiàn)期成果

4 洪水特征分析

2020年7月26日6時(shí)31分建始水文站水位突破警戒水位后快速上升,在26日11時(shí)20分達(dá)到峰值,最高水位560.70 m(超警戒3.70 m),洪峰流量1 050 m3/s(還原后為1 140 m3/s)。本次洪水洪峰流量為1966 年有水文實(shí)測資料以來第一位。

表4 建始水文站“20200726”洪水過程對照表

5 “20200726”洪水成因

建始水文站洪水由閘木水水庫下泄流量、支流米水河及區(qū)間流量組成。建始水文站“20200726”洪水過程與流域內(nèi)降水過程基本一致,說明建始水文站“20200726”洪水主要由降雨引起。閘木水水庫為無閘門水庫,從 7月26日10時(shí)-11時(shí)庫水位及蓄水量變化情況看,水庫存在滯洪現(xiàn)象。詳見表4、表5及建始水文站“20200726”洪水過程對照圖。

表5 建始水文站“20200726”洪水過程對照表

圖3 水文站“20200726”洪水過程對照圖

6 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

6.1 基本資料

建始水文站位于廣潤河上的建始縣城關(guān),于1958年7月由湖北省水利廳設(shè)立,8月1日開始測驗(yàn),控制流域面積233 km2,該站自1960年后的水文觀測資料較為完整,1966年1月1日建始水文站上遷4 km,改名為建始(二) 站,繼續(xù)觀測2013年,流域面積 157 km2。因城市建設(shè)需要,該站上遷至現(xiàn)址, 更名為建始城關(guān)水文站,流域面積151 km2,于2014年觀測至今。該站水位采用黃海高程系。施測流量時(shí),中低水位采用流速儀測速,高水位時(shí)采用電波流速儀、浮標(biāo)測速,浮標(biāo)系數(shù)0.85左右,符合山丘區(qū)流域選用值范圍。流量計(jì)算按流速面積法計(jì)算。測驗(yàn)項(xiàng)目有雨量、水位、流量等, 由湖北省水文水資源局審查、匯編、刊印、歸檔,觀測方法符合規(guī)范要求, 觀測資料可靠。該站流域內(nèi)設(shè)有當(dāng)陽壩、檀木埡、代陳溝、閘木水水庫、建始等雨量站。

6.2 系列代表性分析

在采用資料的55 a系列中,含有特大水年、大水年、小水年及特枯水年。經(jīng)分析并與降水量資料對照檢查,確認(rèn)樣本具有較好的代表性,滿足本次計(jì)算要求。閘水水庫于2014年下閘蓄水,此次未考慮其對系列一致性影響。

6.3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

依據(jù)建始水文站的實(shí)測系列徑流資料推求設(shè)計(jì)洪水。

6.3.1 歷史洪水及其重現(xiàn)期

根據(jù)《清江歷史洪水匯編資料》,建始(二)站附近河段的歷史洪水有1912年、1950年,調(diào)查洪水位及推算流量見表6。

表6 建始(二)站河段歷史洪水調(diào)查成果

根據(jù)馬水河老渡口站(流域面積1 880 km2)洪水調(diào)查成果,經(jīng)綜合分析認(rèn)為建始(二)站1912年洪水流量小于1950年的調(diào)查流量。鑒于1912年未調(diào)查到洪痕,可以判定建始城關(guān)站2020年洪峰流量為1913年以來最大值,其考證期認(rèn)定為108 a。

6.3.2 設(shè)計(jì)洪水

本次將建始(二)站 1966-2014年的實(shí)測年最大流量及1950年調(diào)查最大流量采用面積比推算至建始城關(guān)站,與建始城關(guān)站2015-2020年實(shí)測資料組成一個(gè)不連續(xù)系列,并將實(shí)測流量系列中的第一位(2020年還原計(jì)算后的流量1 140 m2/s)、第二位(1972年實(shí)測1 000 m3/s,換算后962 m3/s)以及1950年調(diào)查最大流量(調(diào)查值1 070 m3/s,換算后1 030 m3/s)按特大值處理。以矩法計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)x 、Cv、Cs 為初始值,理論頻率曲線采用 P-Ⅲ型曲線,經(jīng)目估適線確定采用參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)頻率的估算;連序列中各項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率,采用數(shù)學(xué)期望公式計(jì)算:

Pm=m/n+1

(1)

式中:Pm為連序列第m項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率;m為由大到小排位的順序;n為序列中的年數(shù)不連續(xù)系列中各項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算,是將實(shí)測系列與特大值系列共同組成一個(gè)不連序系列作為代表總體樣本,實(shí)測系列為其中的組成部分,不連序系列各項(xiàng)可在調(diào)查期 N 年內(nèi)統(tǒng)一排位,公式為:

Pm=a/(N+1)+(1-a/(N+1))×(m-L)/(n-L+1)

(2)

式中:a為在N 年中連續(xù)順位的特大洪水項(xiàng)數(shù);N為調(diào)查考證期;n為實(shí)測洪水系列項(xiàng)數(shù);L為實(shí)測洪水系列中抽出作特大值處理項(xiàng)數(shù);m為實(shí)測洪水的序位;Pm為實(shí)測系列第m項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率。設(shè)計(jì)結(jié)果見表7,建始城關(guān)水文站歷年最大流量頻率曲線見圖4。根據(jù)上述計(jì)算成果,查算建始水文站“20200726”洪水最大洪峰流量1 140 m3/s(還原后的流量),對應(yīng)的重現(xiàn)期為 104 a一遇。

表7 建始城關(guān)站設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

圖4 建始城關(guān)水文站歷年最大流量頻率曲線

7 結(jié)語

7.1 暴雨重現(xiàn)期

建始水文站“20200726”暴雨特征為歷時(shí)短、總量大、強(qiáng)度大。暴雨中心位于代陳溝一帶。最大 1 h降水量為82.5 mm,發(fā)生在建始城關(guān)站,重現(xiàn)期為47 a一遇;最大 3 h、6 h、12 h降水量分別為 179.0 mm,265.0 mm、291.5 mm,均發(fā)生在代陳溝站,重現(xiàn)期均為超百年一遇。

7.2 洪水重現(xiàn)期

建始水文站“20200726”洪水最高水位560.70 m(超警戒3.70m),洪峰流量1 140 m3/s(還原后的流量)。本次洪水洪峰流量為1966年有水文實(shí)測資料以來第一位。本次洪水由短時(shí)強(qiáng)降水引起,建始水文站最大洪峰流量重現(xiàn)期為超百年一遇。建始水文站“20200726”洪水等級為特大洪水。