連江流域中小河流洪峰模數分布規律初探

陳斯達，陳丕翔，彭 艷，陳佩琪，楊 騏，陳卓英

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510635)

1 概述

連江為北江最大的一級支流，是北江流域洪水的主要來源，干流長275 km，流域面積為10 061 km2，占北江流域面積的21.5%。連江屬山溪性河流，位于廣東省暴雨高值區，洪水多發，具有暴漲暴落的特點[1]。北江“22·6”特大洪水期間，陽山站、青蓮站水位超歷史實測最大值，連江高道站6月23日0時出現洪峰水位(33.37 m)，相應流量為8 650 m3/s，超過100年一遇(100年一遇為7 880 m3/s)。由于洪水量級大、高水持續時間長，影響范圍廣，致使連州、陽山等地災情嚴重[2]。而連江流域內的大部分中小河流缺乏實測洪水資料，未能準確及時開展洪水預報預警工作[3]，給當地防御工作帶來極大挑戰。

洪峰模數是指流域內單位面積產生的洪峰流量，它表示流域產洪的能力。郭良[4]對洪峰模數分布圖作為山丘區中小流域洪水頻率圖編制的主要成果之一進行了研究，可為洪水災害風險評估、早期應對提供基礎支撐；楊靜[5]分析了暴雨洪水洪峰模數在天山北坡中段地區上的分布規律，為解決該區域小河(溝)在缺乏實測資料情況下設計暴雨洪水計算提供了一個新方法；朱健[6]分析了新疆天山北坡軍塘湖河流域“8·29”特大洪水特征與洪峰模數，對無資料區域內河溝暴雨洪水的特性分析和防洪減災治理具有一定的參考價值；羅志遠[7]繪制出貴州省多年平均和主要設計頻率的洪峰流量模數等值線圖，對貴州省的水利水電工程規劃與設計具有一定的參考價值；盧昌[8]分析了不同地區的最大洪峰流量模數與集水面積的關系，為水利工程規劃設計及對特大洪水規律分析和預測提供參考；徐潔[9]指出，在用洪峰模數對設計洪水計算成果進行合理性分析時，要充分考慮影響洪峰模數的因素。

在此背景下，本文針對氣候、下墊面條件相似且具有代表性的連江流域中小河流，繪制流域不同設計頻率的洪峰模數等值線圖，探索洪峰模數在流域內的變化規律，可為分析洪水在區域內的變化規律及防御中小河流洪水提供參考和決策依據[10]。同時，從等值線圖上查出洪峰模數及相應的面積即可計算出相應的設計洪峰流量，對連江流域中小河流的水文分析計算、水利水電工程規劃與設計具有一定的參考意義[11]。

2 設計洪水分析計算

2.1 主要水文站點設計洪水分析計算

本次收集到連江流域內黃麖塘(二)站(1959—2020年，共62 a)和臨近的珠坑站(1958—1989年，共32 a)實測年最大洪峰流量資料。珠坑站和黃麖塘(二)站是北江流域內建設較早、監測歷時較長的測站，其流量資料由水文部門根據相關規范要求進行觀測、成果整編。經可靠性，一致性和代表性審查，結果表明本次所使用的流量資料具有較高的質量。

考慮歷史調查洪水可提高系列的代表性，減小曲線擬合的任意性，從而提高洪水分析計算的精度和可靠性，本次采用原廣東省水利電力廳1991年出版的《廣東省洪水調查資料》，結合連江流域多年來水利水電工程規劃及設計中對相關測站歷史洪水及其重現期的考證后加入計算系列。其中，珠坑站(站點以上集雨面積為1 607 km2)1923年、1885年共2場歷史洪水，洪峰流量分別為2 120 m3/s(供參考)、3 100 m3/s(供參考)；黃麖塘(二)站(站點以上集雨面積為595 km2)1946年、1942年共2場歷史洪水，洪峰流量分別為2 100 m3/s(可靠)、1 730 m3/s(可靠)。

考慮歷史洪水，采用矩法初步估計統計參數；采用皮爾遜Ⅲ型頻率曲線擬合點據；采用優化適線法調整初步估計的統計參數，并使用經驗適線法進行驗證，計算不同重現期下的設計洪峰流量。經對比，本次計算成果與已批復的成果非常接近，相差在6%以內(見表1)?？紤]到成果的權威性，濱江站設計洪水采用廣東省北江流域綜合規劃(2012年)的成果(已有成果1)，黃麖塘(二)站設計洪水采用廣東省清遠市流域綜合規劃(2011年)的成果(已有成果2)。

表1 本次計算成果與已有成果對比 m3/s

2.2 主要控制斷面設計洪水分析計算

本次選取連江流域范圍內中小河流的河口、重要支流匯入口、重要工程斷面、主要城鎮等控制斷面共計83個(斷面位置分布見圖1)，與珠坑站和黃麖塘(二)站臨近的控制斷面(集雨面積相差小于20%)，采用水文比擬法推算設計洪水。

圖1 控制斷面點選取分布示意

本次利用三水源新安江模型推求設計洪水，采用三水源蓄滿模型(SMS_3)計算產流，采用滯后演算模型(LAG_3)計算坡面及河網匯流，采用馬斯京根河道分段連續演算模型(MSK)計算河道匯流[12]。由于本次研究范圍的絕大多數河流所在區域及其臨近區域內無實測洪水資料、歷史調查洪水資料和實測降雨資料等，經分析計算，發現采用新安江水文模型推求連江流域中小河流設計洪水的效果較差。根據廣東省已有相關工程設計洪水分析計算經驗，對于缺乏實測流量資料地區，采用廣東省綜合單位線法和廣東省推理公式法，由暴雨資料推求設計洪水具有較高的實用性。

根據連江流域高精度DEM，利用ArcGIS中的Spatial Analyst工具，提取各河流河口及主要控制斷面以上的集雨面積、最長匯流路徑及其比降。利用廣東省水文局編制頒布的《廣東省暴雨參數等值線圖》(2003年)及《廣東省暴雨徑流查算圖表》分析設計暴雨?？紤]大中型水庫的調蓄作用，同時采用廣東省綜合單位線法和廣東省推理公式法由暴雨資料推求中小流域設計洪水，結合流域下墊面條件合理調整參數，協調2種方法的設計洪峰流量相對誤差不超過20%后，原則上采用廣東省綜合單位線方法的設計洪水成果。

3 洪峰模數一致性、合理性分析

3.1 一致性分析

各河口和主要控制斷面的設計洪水成果，在合理性分析的基礎上，遵循“多種方法、綜合分析、合理選用”的基本原則，根據設計洪水分析成果，計算洪峰模數(見表2和表3)。連江流域內各中小河流屬同一水文分區，且地理位置鄰近，洪峰模數存在明顯的相關性規律(見圖2和圖3)，可以認為成果具有一致性。

a P=1%

a P=1%

表2 連江上游各中小河流河口洪峰模數統計

表3 連江中下游各中小河流河口洪峰模數統計

3.2 合理性分析

將本次設計洪水分析計算成果與已有工程設計成果對比，誤差均在15%以內(見表4)，符合《中小流域洪水頻率圖編制技術要求(試行)》關于設計洪水成果合理性的相關要求，認為本次設計洪水成果合理。

表4 連江流域中小河流設計洪水成果對比統計 m3/s

4 洪峰模數分布規律分析

4.1 等值線圖繪制

以連江流域中小河流100年、20年一遇設計洪水分析成果為例，將各河口和主要控制斷面的設計洪峰模數標識在連江流域水系圖上并勾繪模數等值線圖，考慮地區規律和高低值區域，選取合適的等值線間隔值，修正等值線平滑度[13](見圖4)。

a P=1%

4.2 洪峰模數規律

洪峰模數等值線成果表明：連江上游的連州、連南北部等區域屬暴雨相對低值區，洪峰模數較??；連江中下游的乳源南部、英德西北部、陽山南部、連南中部和南部等區域屬暴雨相對高值區，洪峰模數較大，防御洪水過程中應當加以重視；陽山中部和北部地區洪峰模數介于兩者之間。此外，一般峰模數隨著集雨面積的增加而減小，隨著最長匯流路徑比降的增大而增大；在最長匯流路徑比降不變的情況下，洪峰模數隨著暴雨強度的增大而增大，反之亦然。

4.3 運用參考

本次連江流域中小河流洪峰模數等值線分布規律，與以下3個工程示例的洪峰模數成果相吻合：三江河流域面積為618 km2，流域綜合整治工程中河口20年一遇設計洪峰流量為1 359 m3/s，相應洪峰模數為2.20 m3/(s·km2)；錦潭水庫位于連江一級支流黃洞河中游，壩址以上集雨面積為227 km2，100年一遇設計洪峰流量為1 940 m3/s，相應洪峰模數為8.53 m3/(s·km2)；東陂河流域面積為826 km2，中小河流治理工程中河口20年一遇設計洪峰流量為1 385 m3/s，相應洪峰模數為1.68 m3/(s·km2)。本次連江流域中小河流洪峰模數分布規律可為連江流域中小河流設計洪水計算成果合理性判別提供按參考。

5 結語

本次在分析計算連江流域中小河流主要水文站點及主要控制斷面設計洪水的基礎上，結合歷史洪水調查資料、已有工程規劃和設計洪水成果、基礎地理信息數據等，繪制連江流域中小河流不同重現期下洪峰流量模數等值線圖，旨在探討連江流域中小河流洪水規律，為防御連江流域中小河流洪水提供參考和決策依據，對連江流域水文分析計算、水利水電工程規劃與設計具有一定的參考意義。