水文分析计算中的洪水资料还原

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：Δt取不同小时数，分别计算还原洪水过程，以出现锯齿状较少，无突出不合理现象为准。其不受水库调蓄影响的流量过程资料，只有根据水库和水文站的水文观测资料进行还原计算得到。

水利工程对洪水的影响，不仅与工程规模、分布以及水文站的远近有关，而且还与洪水特性、工程运用方式、水库蓄、泄量大小等情况的不同，对洪水影响的程度而有差别。

2.5.2.1　受大、中型水库调蓄影响的洪水还原计算

还原计算水库坝址及其下游水文站的洪水，首先要计算出水库的入库洪水，然后再由入库洪水计算坝址洪水，最后演进至下游水文站。

（1）入库洪水计算。水库建成后，可由坝前水库水位、库容曲线和出库流量等资料，用水量平衡法推算入库洪水：

式中：Q入为时段平均入库流量；Q出为实测的时段平均出库流量；Q引为跨流域引出或引入的时段平均流量，引出为正值，引入为负值；ΔW为Δt时段水库内蓄水量变化值；ΔW损为Δt时段水库内损失水量（包括蒸发、渗漏量）；ΔW雨为Δt时段水库内由陆面变为水面直接接纳的降雨量；ΔW库岸为Δt时段库岸调蓄量变化值；Δt为计算时段长。

其中，ΔW损、ΔW雨、ΔW库岸在一次洪水过程中所占比重甚小，可忽略不计，则上式简化为：

关于时段长Δt取值，有的取变动值，如在洪峰段短些，落水后部长些，有的取固定值。但无论用哪种方法，一座水库的各场洪水，Δt值应一致。如何确定Δt值的大小，有两种方法。

1）试算法。Δt取不同小时数，分别计算还原洪水过程，以出现锯齿状较少，无突出不合理现象为准。

2）误差控制法。在一般情况下，Δt有随水库集水面积大小而变的趋势，水库集水面积小，汇流时间短，Δt取值短些；反之，Δt值就要长些。

以上公式推求的是时段平均流量，并非瞬时值。瞬时流量可以通过建库前资料绘制的时段流量与瞬时流量的关系推求。

（2）坝址洪水计算。所谓坝址洪水，是指不受水库调节影响下的坝址处洪水。水库形成后，坝址洪水不能直接观测，只能通过间接方法计算求得。推求坝址洪水，常用以下3种方法：

1）由入库洪水计算坝址洪水。由于修建水库，一部分河道变成了水库，调蓄作用减小，洪水汇流时间变短，导致洪峰流量加大且提前出现，洪水过程变得尖廋。坝址洪水与入库洪水之间具有成因关系，所以可以将入库洪水转换成坝址洪水，转换计算通常使用马斯京根法演算方程：

式中：Q坝1、Q坝2为时段初、末坝址流量；Q入1、Q入2为时段初、末入库流量；C0、C1、C2为流量权重系数；Δt为计算时段长；x为流量比重因素；K为蓄量与流量关系线的坡度，具有时间因次。

2）由入库站与坝址站洪水相关法推求坝址洪水。在建库前，入库站和坝址站有同步观测资料时，利用这些资料建立相关关系。建库后坝址洪水，由入库站的洪水资料相关求得。

3）由坝址站建库前后峰量相关法推求坝址洪水。分析坝址站建库前后的洪水变化规律，通过坝址站本身建库前后的资料推求建库后坝址天然洪水资料。

（3）水库下游水文站的洪水还原计算。位于水库下游的水文站，所观测到的流量资料，是经过水库调蓄以后的结果。其不受水库调蓄影响的流量过程资料，只有根据水库和水文站的水文观测资料进行还原计算得到。具体还原的方法和步骤是：首先将水库的泄流量过程用马斯京根公式演算到下游水文站断面，从水文站实测的流量中减去上游水库泄流量的演算值，便得到上游水库坝址与水文站区间流量过程；再将上游水库坝址的同次洪水过程演算到下游水文站断面，并与同一时间的区间流量相加，即为下游水文站的洪水还原计算值。

2.5.2.2　受小型水库调蓄影响的洪水还原计算

（1）小型水库还原洪水过程计算。小型水库数量多，分布广，单个水库拦蓄能力小，因此，要像大中型水库那样计算不大可能。

小型水库洪水过程的还原可采用概化方法：用代表库观测资料推算出库群次拦洪总量，将其转化为全流域的净雨。小水库群次拦蓄总净雨的时段分配，可用本次降雨所求时段的净雨分配比做模型进行分配，再用流域单位线计算出小水库群调蓄量在出口断面的洪水过程。此法在小水库群面上分布比较均匀时为好；若水库分布不均匀，可用分区单位线推求。

（2）中小水库洪峰流量的还原。

式中：Q原为还原后的洪峰流量；Q实为实测洪峰流量；W次为与Q实相应的实测次洪总量；∑W拦为次洪中水库拦蓄量之和；r为洪峰流量修正系数；K1、K2、K为经验系数；α、β、m、n、λ为经验指数；∑f为中小水库控制总面积；F为流域集水面积。

2.5.2.3　受水利工程影响的洪水还原

中小流域，当水利化程度较高，水利工程对洪水的影响，不仅仅限于对洪水过程的调蓄作用，而且还表现在洪水量的变化（一般是影响后的洪水量变小）时，需要对流域洪水进行还原计算。

（1）洪量还原。一般采用两类方法。第一类根据受影响前的流域产流模型参数，或受影响前的降雨径流经验关系，用受影响后的次雨量、蒸发量计算。第二类用分项还原法计算：

式中的V库蒸、V库渗、V工业、生活等项，由于中小河流洪水过程时间短，其量可以忽略不计。

（2）洪水过程还原。中小流域受水利工程影响的洪水过程还原，可用还原后的天然水量，与受影响前洪水资料分析的单位线等方法计算不受影响的洪水过程。如果受影响前缺乏实测资料，可用地区综合的计算综合单位线的经验公式或计算综合瞬时单位线参数的经验公式推求单位线或瞬时单位线等方法计算洪水过程。

2.5.2.4　受溃堤影响的洪水还原计算

受溃堤影响的洪水还原计算方法有水量平衡法、上下游站洪水相关法、流量叠加法、暴雨径流法。

（1）水量平衡法。水量平衡法还原溃堤洪水与大中型水库洪水还原原理相同，首先求出溃堤后各控制断面的流量过程和各堤围蓄泄量过程，然后将控制断面溃堤的流量过程加上考虑洪水传播时间后的堤围蓄泄流量过程，便得到不溃堤的归槽洪水。

（2）流量叠加法。当测站上游有决口、分洪、滞洪等情况时，可将决口、分洪、滞洪河流断面上游干支流站实测流量过程线分别演算到下游测站，与区间洪水过程线叠加，求得本站天然条件下的洪水过程。

区间洪水过程线的推求：当区间的自然地理条件和暴雨洪水特性与某地支流相似时，可将支流站的洪水过程线按流域面积比放大成为区间洪水；若区间无测站时，可用暴雨径流关系推求。

（3）暴雨径流法。利用未受修水利工程影响的实测天然洪水和相应的暴雨资料，分析求得产、汇流参数，采用本次洪水的实测雨量，应用单位线、等流时线、河槽汇流曲线及推理公式等方法，计算不受影响的天然洪水。

2.5.2.5　受综合因素影响的洪水还原计算

大中型流域因受堤防、分蓄洪区、水库和湖泊调蓄等众多因素影响，不可能进行逐项还原，同时，洪水的来源和地区组成复杂，洪水特性很难用某一固定断面来表述。此时，为使基本资料基础一致，免除各种因素的影响，可根据防洪实际需要、洪水特点和基本资料，采用总入流系列替代还原计算。所谓总入流是将控制断面以上模拟成一个水库，汇入这个断面的洪水未经河网、湖泊调蓄及分洪溃口，同时其入流过程基本未受人类活动影响或影响较小，将此计算的洪水过程作为控制断面的洪水过程。

例如长江中下游防洪是以宜昌、枝城、螺山、汉口、大通等5个水文站作为防洪代表性控制断面，这些控制断面的总入流是指固定断面以上流域坡面与河网汇入的地表、地下径流过程的总和。在实际计算中，河网入流以上干支流控制站实测过程控制，区间入流为上游各控制站以下至计算断面总控制站之间的坡面和水网入流，可通过降雨径流关系计算。因上游干支流各控制站到计算断面间的距离、各站来水量的大小、河道特征等因素互有差异，洪水传播时间互不相同，为了保证总入流为上游河网及区间同时汇入计算断面的流量之和，计算中必须考虑传播时间。

总入流过程只与上游干支流出口站来量和区间洪水过程有关，避免了中下游分洪溃口和江湖变迁的影响，计算条件一致。因此计算出的总入流系列可以认为有较好的一致性，计算年限从1951或1954～1998年，达45年以上，可满足防洪规划设计需要。

（1）螺山总入流计算。螺山总入流由长江干流宜昌、清江长阳、沮漳河河溶、洞庭湖水系的湘江湘潭、资水桃江、沅水桃源、澧水石门（三江口）等控制站及宜昌—螺山区间的洞庭湖区来水和其余未控区间来水组成，计算时考虑传播时间叠加，并对清江隔河岩、资水柘溪、沅水五强溪等大型水库进行了还原。螺山总入流过程按下式推求：

式中：Q为流量，m3／s；t为时间，d。其中洞庭湖未控区间流量，根据雨量资料由产汇流方法推算。

由此可推算出1951～1998年螺山总入流系列，同时，根据还原计算的各站1931年、1935年流量资料，计算了其总入流。

（2）汉口总入流计算。螺山—汉口区间主要有汉江、陆水和金水（金水已建闸控制）等支流加入。区间的长江干流北岸为汉江和长江间的江汉平原，南岸多为小支流和湖汊，南北两岸修建有完整的堤防体系，堤内积水多由排灌站排入长江。

经分析论证，螺山—汉口区间水量计算以陆水加汉江为宜。计算时还考虑汉江丹江口水库调蓄水量的还原。汉口总入流计算公式如下：

式中：Q为流量，m3／s；t为时间，d；W为水库日蓄水变量。

由此推算出1951～1998年汉口总入流系列。

（3）大通总入流计算。大通总入流由长江干流汉口站入流，汉口至九江区间（汛期还包括汉北刁汊湖水系诸河来水）、鄱阳湖水系来水、九江至大通区间来水等组成。总入流过程为上游汉口站入流与汉口—九江区间水系、鄱阳湖水系及九江—大通区间过程，考虑洪水传播时间后叠加。其中鄱阳湖水系5河、7站和以下未控区间来水考虑了至大通的传播时间。大通总入流计算公式如下：

式中：Q为流量，m3／s；t为时间，d；鄱阳湖5河、7站系指鄱阳湖水系赣、抚、信、饶、修5河的7个水文站，即赣江外洲、抚河李家渡、信江梅港、昌江渡峰坑、乐安河虎山、缭河万家埠、修水柘林（虬津）站。

通过对还原演算过程和实测过程的比较分析，中小水年份因无分洪溃口影响，还原演算过程和实测过程基本一致，少数年份干流来水不大，但汉江水大并有分洪或溃口时，对演算过程略有影响。经综合分析，参与大通总入流计算的汉口入流过程，长江或汉江有分洪溃口影响，如1954年、1996年、1998年等年份均用还原演算后的洪水过程，其他年份则直接用汉口实测过程计算大通总入流。汉口—九江、九江—大通两个区间流量用控制站实测流量按面积比放大计算，计算中考虑了宜昌以下大型水库的调蓄水量的还原。

水文分析计算中的洪水资料还原

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