中小流域洪峰流量发生的概率研究.pdf

试验平台 中小流域洪峰流量发生的概率研究 刘文锋 朝阳县水利局 辽宁朝阳 122000 中图分类号 P338 2 文献标志码 B 文章编号 1673 5366 2008 03 0003 03 摘要 对于面积小于 30 km2小流域的进行洪水设计 多采取借用资料 采取同频率放大或缩小 再进行相关计算 2007年日本学者中谷洋明提出了中小流域洪峰流量发生概率的研究方法 利用降雨概率同样实现设计洪水的设 计 测试结果对观测地点单独进行最适宜分布比较 稍大 与平均标准差比变小 q0 99的 90 可信区间幅度的评 价 约缩小 26 区间幅度 具有 10 a以上的流量观测资料 100 km2以下尺度中小流域的洪水流量概率的测定精 度明显提高 观测地点的流域特征和偏态系数 Gi的统计关系明显 但对中小流域的洪水流量 降雨等 决不是数 十年短期的观测能捕捉到的 若要提高测试精度 必须依据流域的特征设计规划研究 天然水库决堤与历史上的 洪水进行比较验证 相信 此项研究方法对我国有关小流域洪水设计 有借鉴意义 关键词 小流域 洪水设计 降雨概率 可信度 日本 当流域面积小于 30 km 2 时 多为无水文资料地 区 对于此类地区 若进行小流域洪水设计 多采取 借用资料 采取同频率放大或缩小 再进行相关计 算 在不完整观测资料中 评定洪水流量的问题 国 际水文科学会 IAHS 对未观测流域的水文流量预 测 已作为重要的课题进行研究 2007年日本国土交通省北陆地方整务局河川 部中谷洋明提出了中小流域洪峰流量发生概率的研 究方法 利用降雨概率同样能实现对河道洪水设计 和水利工程洪水设计 相信 此项研究方法对我国 有关小流域洪水设计 有借鉴意义 1 观测资料选取及处理 用概率论确定洪水流量 水文流量的观测要求 不受人为的影响 在受人为影响的上游区域 必须 正确使用雨量观测资料 在日本北陆地区有融雪渗 流区域 进行雨量补给渗流分析时 渗流雨量受融雪 影响 可通过渗流模型测定出洪水流量 中谷洋明 根据以往研究的相同河流情况划段分类 在水文特 征类似北陆地区 取调节洪水的水库资料 用入库流 量进行地域洪水频率的分析 洪水流量概率的推测 水库集水面积在 100 k m 2 以下的 收集北陆地区所 有的观测点 对集水面积 247 km 2 305 km2 的 2座 水库进行分析 为推测洪水流量的概率 首先在水 文特征类似的地域 用概率处理为前提 对资料进 行抽样确定 观测地点间的数据具有独立性 并用 有无方位性进行验证 其次 用不同的观测地点概 率分布及全域参数测定法进行组合 计算 13种比 较吻合情况 在北陆地区共同使用一个分布模型 最后 为提高各观测地点的洪水流量概率的测定精 度 在共同的分布模型地域情报 添加适合的方法 进行研究 北陆地区的新泻 富山 石川 3个县的洪水调节 水库 具有 10 a以上的观测资料 集水面积为 6 3 305 7 km 2 受自然流域限定的结果 分析流域总 面积是 3个县总面积的 7 9 观测年限平均为 26 5 a 最大年限 53 a 选定的 30座水库 属于同一河流情况区段 同 一气候类型区 从 30座水库与其他的计算地点间 距离平均为 157 km 每个水库与最近的水库距离平 均为 18 2 km 观测地点的 3个县构成了全覆盖的 水文观测网 地点相关分析进行的顺序 在 30座水库中对 任意 2座水库的年最大流量的序列中 算出共同观 测期间的序列相关系数 从 30座水库获得的所有 组合中 算出任何共同观测期间年数总和 算出大 于一定阈值相关系数组合的共同观测期间年限的总 和 判定大于阈值年数的比率与地点的相关性 在观测地点 i 从当年至 k 年前的年最大流量 qi k 3 2008年第 3期 水土保持应用技术 观测资料数 ni 水库 i和 j是共同观测期间的年数 nij qi k 的观测地点样本平均为 q i 观测地点样本标 准差为 i 则 共同观测期间年数 nij m in ni nj 1 式中 nij是 30 30的要素具有正态矩阵 序列相关系数由下式求得 rij 1 nij nij k 1 qi k qi qj k qj i j 2 N nij Trnij 2 3 式中 N 为所有组合与共同观测期间年数的总和 为矩阵的所有要素和 Tr为矩阵对角线的和 判定任何大于阈值的矩阵 tij 1 rij ni为观测地点 i的观测 年数 si m 为观测地点的顺序统计量与推测的全域 参数变换的标准变量 si m 为绘图理论推定关于全 域参数变换的标准变量 SL的差分布形式相互依存 在任何观测地点可 算出最适合分布的 q0 90及 q0 99的频率分布 备选 13 种的任何一个概率分布 全域参数测定法 SL的标 准都在 0 04以下 在北陆地区的新泻 富山 石川 3县 分析了 30座水库的年最大流量与概率分析结 果相同 一个概率的分布具有共性 最有力的可以说 是对数分析法 lgP3 年最大流量对 lgP3适用方式 在美国取得更多 的实效 上世纪 70年代后 Bulletin 17B 以下简称 B17 记录的比较标准 稍加修正估计成为今后最大 流量分析的主流 B17在最低有 10 a观测的地点 160 km 2 以内 做条格分布 表现出对数空间的偏态系数 G 每个观 测地点的 lgP3分布表现出全域参数测定值 具体 在对数空间内 以下式那样对样本偏态系数 Gi和地 域偏态系数 G 分别就偏态平均标准差的倒数进行 加权处理修正 Gi w W Gi 1 W G 10 W Ms G Ms Gi Ms G 11 Ms Gi 10 a b N b 12 a 0 33 0 08 Gi Gi 0 90 0 52 0 30 Gi 13a b 0 94 0 26 Gi Gi 1 50 0 55 13b 关于对极值测定有影响的异常值 下侧的异常 值以 B17的方式放弃 弃掉的标准以下式表达 xi L xi si 0 904 3 3 345lg ni 0 404 6lg ni 14 式中 xi为 qi常用对数变换值 si为观测地点 i的对 数空间的标准差 xi L是对数空间的下侧异常值 4水土保持应用技术 2008年第 3期 3 分 析 3 1 测定量的质量 任何观测地点算出的最适宜分布的 q0 99和 B17 方式算出的 q0 99水库设计等 通常 可能最大年流 量 和使用 q0 995的对应比率平均分别为 41 和 39 最大是 82 和 72 任何在 q0 995以下推测量 并不矛盾 年最大流量概率 q0 90及 q0 99是观测期间 794个 分析数据 也期待 79 4次 7 94次范围的发现 不 同的观测地点最适宜的分布进行比较 q0 90没有大 的变化 q0 99有望发现频率接近的趋势 3 2 标准规则的适用性 年最大比流量的平均值 y 与标准差 的关系 是 y 0 621 2 r 2 0 43 观测地点平均 Cv 是 0 62 从零点到各点梯度表的每个 Cv不规则变 大 Cv与流域面积S对应的关系是y 0 007S 0 67 稍有减小的趋势 流域面积在 100 k m 2 以下 情况 稍稍减小 没有大的变化 差别显著大的 Cv 显示点 是在狭窄观测地点的资料 流域面积为 8 2 k m 2 除此之外 Cv在 0 40 0 85的范围 具有同 样的分布 每个观测地点的 Cv和空间偏态系数 之间呈 y 0 129 3 0 411 4 r 2 0 395 B17方式修正 的 q0 99在每个观测地点的平均值 的标准化 q0 99 与标准差 的关系式为 y 0 7427 2 257 r 2 0 267 表明具有弱线性关系 为此 从分布偏态 到 Cv测定 参考 Index Flood法 从延长观测资料 中求得其平均值 从 Cv反算标准差 测定 qp B17方式得到年最大流量 平常从定标进行分析 流量系数 q回到流量 Q 流域面积 A 和 Q a A p的关 系进行整理 10 频率的洪峰流量 Q与流域面积 A 的 关系式为 Q 1 979 A 0 966 4 r2 0 993 3 1 频率的洪 峰流量与流域面积的关系式为 Q 4 716 A 0 905 6 r2 0 953 9 流量 Q 在同一个流域面积相关分析 比较 混乱 特别超过概率较小的 q0 99时 与流域面积拟合 时 求解要慎重 4 结 论 以水文特征类似的日本新泻 富山 石川 3县 30座水库为基础 以年最大流量进行流量比较 然 后换算分析 从众多的观测地点与 lgP3高的适宜 度 选定的 lgP3联合分布形式 以美国标准 B17方 式对 q0 90和 q0 99进行测定 测试结果对观测地点分 别单独进行最适宜分布比较 稍稍变大 与测定的平 均标准差比变小 q0 99的 90 可信区间幅度的评 价 约缩小 26 区间幅度 以流域面积为目标的 Index F lood法和标准规则的研究 当超过概率小 的测定量相关的流域面积 平均值或者变动系数 Cv 测定比较困难 具有 10 a以上流量观测资料 100 km 2 以下尺 度中小流域的洪水流量概率的测定精度明显提高 观测地点的流域特征和偏态系数 Gi的统计关系明 显 但气候状况改变有数十年的尺度 设计洪水流 量概率的变更可在短时期实施 而中小河流流域的 洪水流量 降雨等 决不是数十年短期的观测能捕捉 到的 因此 若要提高测试精度 必须依据流域的特 征设计规划研究 天然水库决堤与历史上的洪水进 行比较验证 参考文献 1 葛葉泰久 友杉邦雄 岸雄德雄 等 水文 河川流域区分 J 水文水資源学会誌 2001 14 2 131 141 2 中谷洋明 北陸地方 中小河川 確率洪水流量 検討 J 砂防学会誌 2007 60 2 25 32 收稿日期 2008 02 25 编作者简介 刘文锋 身份证号 211321197312 70 大学 助理工程师 现工作于朝阳县水利局 责任编辑 尚 克 责任校对 关 月 简 讯 2008年全国水土保持工作任务 2008年全国水土保持工作会议在贵州省毕节市隆重召开 鄂竟平副部长在大会上对 2008年的水土保持工作做出了部 署 今年要突出抓好五项重点工作 一是以执法专项行动为契机 把监督执法工作引向深入 二是以建立生态补偿机制为重 点 多渠道增加水土保持投入 三是以狠抓制度落实为手段 进一步加强重点工程管理 四是以国策宣教活动为载体 提高 全社会水土保持意识 五是以强化基础