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摘要：现代化建设高速发展，人们愈来愈多地注意防洪问题。如何在保证水库自身安全的条件下使其综合效益得到最大程度地发挥是一个重大的研究课题，水库设计洪水分析是该研究课题中的基础工作之一。本文结合魁龙水库的实际情况，基于理论性与实用性相结合为准绳，重点研究以下内容：运用暴雨资料和参证站实测洪水资料和历史洪水资料推求魁龙水库设计洪水，然后对两种方法计算的设计洪水进行择优比较，选出最符合设计流域实际情况的成果。
关键词：设计洪水；魁龙水库；暴雨资料；历史洪水资料
Abstract：With the rapid development of modernization， people are paying more and more attention to flood control.How to maximize the comprehensive benefits under the conditions of ensuring the safety of the reservoir itself is a major research topic.Reservoir design flood analysis is one of the basic tasks in this research topic.This paper combines the actual situation of Kuilong Reservoir， based on the combination of theory and practicality，focusing on the following contents：Using the rainstorm data and the measured flood data and historical flood data of the participating stations to derive the design flood of the Kuilong Reservoir，Then， the design floods calculated by the two methods are compared and selected， and the results that best meet the actual situation of the design basin are selected.
Key words： Design flood； Kuilong Reservoir；Rainstorm data；Historical flood data
1 引言
設计洪水分析的基础理论和方法近年来随着信息技术和计算机技术的大力发展取得了极大的的进展，目前国内外较为通用的计算方法是频率洪水与可能最大洪水。频率洪水计算根据随机变量暴雨或洪水概率密度曲线分布函数的型式不同，可有多种不同的线型。根据李元章、李松任等学者研究验证表明，P-Ⅲ型分布线型在水文频率计算方面为较优的一种线型。频率曲线的线型选定后确定分布函数的问题就变成估计分布中所含的参数。J.A.Greenwood等人用概率权重矩法分别对通用极值分布、威克比分布、耿贝尔分布给出参数估计计算公式，研究表明具较好的统计特性。侯玉等学者比较了七种参数估计方法，比较得出用概率权重矩法求得的参数较为合理。陈元芳、侯玉指出绝对值准则适线法和概率权重矩法（PWM法）是一种较为优良的P-Ⅲ型分布参数估计方法。胡素端指出估计的参数和所选择的适线准则、经验适线或目估适线以及分析人员的水平和经验等因素有关，但只要程序、算法设计得当，参数精度仍可在允许的误差范围内。
设计洪水问题与工程造价、工程安全密切关系，几十年来国内外水利工作者围绕设计洪水标准、计算途径和方法展开过多次争论，这种争论推动了水利科学的发展。本文以贵州省魁龙水库为例，采用暴雨暴雨资料和参证站实测洪水资料和历史洪水资料推求设计洪水，得到了较为符合设计流域实际情况的结果，相关研究可以为设计洪水计算提供一定的借鉴和参考。
2 研究区概况
魁龙水库在魁龙河下游，坝址位于东经107°51′30″，北纬27°12′21″，总库容1152万m？，属中型水库。区域总体地势四周高中间低，中部为规模较大的余庆断陷盆地，受地层岩性及构造控制，区内侵蚀溶蚀作用强烈。魁龙河流域属溶蚀浸蚀型低中山谷地地貌，区域气候温和湿润，雨量丰沛，属亚热带季风气候区，区域多年平均气温约16.6℃，多年平均降雨量1091.8mm，其中最大年降水量1462.1mm，最小年降水量708.3mm，年内分配不均，多年平均汛期5～10月，降水量占全年74.8%，实测最大日暴雨量174.9mm。
3 设计洪水计算
3.1 暴雨资料推求设计洪水
3.1.1 暴雨特征
设计流域位于乌江和沅江分水岭地带，属于一般暴雨区。5～10月为汛期，历时1天左右大暴雨集中在6～9月。根据当地气象站1951～2010共59年资料统计，实测最大日暴雨量174.9mm，年最大日暴雨多出现在6～9月，占74.6%，其中6月份为最频繁，占28.8%。
3.1.2 设计暴雨
气象站实测年最大日暴雨量资料有1937～2010年系列共74年，对其进行频率计算，采用P-Ⅲ型曲线进行适线，成果见下图1及下表1。
年最大日暴雨系列值适线后H日=81.3mm（H24=91.1mm），Cv=0.45。查阅《贵州省短历时暴雨统计参数等值线图集》之“年最大24小时点雨量均值等值线图”和“年最大24小时点雨量Cv值等值线图”可知H24=86mm，Cv=0.45，偏安全考虑本次设计流域洪水计算暴雨成果采用值H24=91.1mm，Cv=0.45，Cs=3.5Cv。1小时暴雨根据《贵州省短历时暴雨统计参数等值线图集》查算为S=40.0mm，Cv=0.40，Cs=3.5Cv。通过适线得到以下成果，详情见下表2。 3.1.3 设计洪水计算
魁龙河坝址以上流域面积19.3km2，小溪河坝址以上流域面积20.1km2，几个流域均属于植被较好、开垦度一般的山区，河道蜿蜒曲折，同时根据流域几何特征值θ（魁龙河坝址以上流域θ=L/J0.33·F0.25=13.3≤30；小溪河坝址以上流域θ=L/J0.33·F0.25=14.6≤30），综合分析，采用“修订公式”形式如下：
式中：Qmp-某设计频率之洪峰流量（m3/s）；r1-汇流参数；f-形状系数；J-主河道平均坡降；F-流域面积；C3-洪峰径流系数；H24p-某设计频率最大24小时暴雨量；h24p-某频率洪量径流深。
在计算过程中，汇流系数r1根据流域情况取0.35，C3取值范围为0.74～0.87，魁龙水库坝址和小溪河拦河坝址处各频率设计洪峰流量、最大24小时洪量如表3所示。
小溪河洪水可通过隧洞引至魁龙水库导致魁龙水库设计洪水还需要考虑引洪量，该隧洞的最大允许过流量为6.50m3/s。首先，依据小溪河拦河坝坝址处洪水过程线对其中大于6.50m3/s的部分作弃水处理得到隧洞引洪过程线，然后根据魁龙河坝址处同频率洪水过程线对应合并得到魁龙水库坝前设计洪水过程线和设计洪水洪峰流量和最大24小时洪量，详见表4。
3.2 流量资料推求设计洪水
3.2.1 参证站洪水资料
洪峰流量有1961年～1995年35年实测资料，以及历史洪水资料，组成洪水系列资料。洪峰流量还原计算首先根据团结水库出库流量及库水位，推得团结坝址天然洪水，然后根据坝址天然洪水再演算得到水文站洪水，从而建立起还原洪水与实测洪水的关系。
3.2.2 参证站设计洪水
参证站设计洪峰计算根据还原后洪峰流量系列35年和历史洪峰5年组成不连序系列，利用P-Ⅲ型曲线适线，频率曲线见图2，设计洪峰流量结果如表5。
3.2.3 流域设计洪水计算
根据参证站洪峰系列计算成果，用以下公式计算出魁龙水库坝址设计洪水均值。
式中：Q设-魁龙水库坝址设计洪水均值；Q参-参证站的设计均值；F设-魁龙水库坝址流域面积19.3km2；F参-参证站774km2的流域面积；n-洪峰流量或洪量消减指数。
首先根据余庆水文站洪峰流量均值比拟至200km2（其中洪峰消减指数n取0.67），再根据“雨洪公式”比拟至魁龙水库坝址（其中洪峰消减指数n取0.716），得魁龙水库坝址处洪峰流量均值为35.4m3/s。在同一流域内一般有洪峰Cv值随流域面积减少而增大的规模[8]，参照本地区其他水文站的分析成果：长坝水文站流域面积5454km2洪峰流量适线Cv值为0.43，上游银水寺水文站流域面积1278km2、旺草水文站流域面积413km2洪峰流量适线Cv值分别为0.58和0.74；二郎坝水文站流域面积3149km2洪峰流量适线Cv值为0.57，上游桐梓水文站流域面积458km2洪峰流量适线Cv值为0.62。魁龙水库坝址流域面积19.3km2占余庆水文站流域面积774km2的2.5%，根据以上各站Cv值变化趋势，魁龙水库坝址处Cv值按0.90考虑，各频率洪峰流量成果见表6。
4 结果与分析
从上述两种方法推求的设计成果来看：“流量法”各频率洪峰流量成果较“雨洪法”成果分别小1%～23%。
一方面考虑参证站流域面积较设计流域面积相差太大（近40倍），已超出通常的比拟适应范围，所推算成果仅供参考；另一方面考虑到设计流域面积不足25km2，属特小流域，而邻近又无面积相近的特小流域水文站实测资料，故采用《贵州省暴雨洪水计算实用手册》中专门用于特小流域洪水计算的“修订公式”计算。在计算公式的采用中对公式适用条件进行了合理判定，如流域下垫面条件、流域面积、流域几何特征值θ等，所选择的公式型式是正确合理的。计算过程中公式中各参数的确定均倾向于偏安全取值，如洪峰径流系数、汇流系数等，所以推求的洪水成果与相应频率的历史调查洪水成果比较也是合理的，经与 “流量法”成果比较来看，成果相近稍偏大，也说明其属合理且偏于安全，所以本次计算采用“雨洪法”成果。
5 结论
目前国内在进行洪水频率计算时广泛采用的适线法因人的主观思维使结果产生差异，其客观性较差。广泛应用于中国的设计洪水分析研究中的历史洪水法明显有助于提高研究结果的可靠性，但还有必要做进一步的讨论确定其合理使用的条件和对其有效性进行定量估计。因此，寻找一种具有良好统计特性的目标参数估计方法具有十分重要的现实意义。计算结果表明，本文所采用的研究思路是可行的，该方案最大的特点是可以使两方案的结果相互参考，提高了最终结论的可靠性。
参考文献：
[1]丛树铮，陈元芳.适线法中拟合优度与设计值精度关系的分析[J].河海大学学报，1989，17（4）：97-102.
[2]李松仕.对数皮尔逊Ⅲ型频率分布统计特性分析[J].水利学报，1985，9：43-48.
[3]张静怡，徐小明.极值分布和P-III型分布线性矩法在区域洪水频率分析中的检验[J].水文，2002，22（6）：36-38.
[4]WANG，Q J.Unbiased estimation of probability weighted mmoments and partial probability weighted moments from systematic and historical flood information and their application to estimating the GEV distribution.Journal of Hydrolody，1990，120（1-4）：115-124.
[5] 王国安.中国：设计洪水向何处去[C].中国水文科学技术与研究进展，2009，54～57.
[6]尤爱菊.库水位随机分析与研究[R].硕士论文，1999.
[7]胡素端，宋松柏.高阶概率权重矩在洪水频率分布参數估计中的应用[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2013，41（6）：207-213.
[8]朱佳君，张钰，何彬等.对水文频率分析中目估适线法的思考[J].人民长江，2011，42（2）：13-16.
关键词：设计洪水；魁龙水库；暴雨资料；历史洪水资料
Abstract：With the rapid development of modernization， people are paying more and more attention to flood control.How to maximize the comprehensive benefits under the conditions of ensuring the safety of the reservoir itself is a major research topic.Reservoir design flood analysis is one of the basic tasks in this research topic.This paper combines the actual situation of Kuilong Reservoir， based on the combination of theory and practicality，focusing on the following contents：Using the rainstorm data and the measured flood data and historical flood data of the participating stations to derive the design flood of the Kuilong Reservoir，Then， the design floods calculated by the two methods are compared and selected， and the results that best meet the actual situation of the design basin are selected.
Key words： Design flood； Kuilong Reservoir；Rainstorm data；Historical flood data
1 引言
設计洪水分析的基础理论和方法近年来随着信息技术和计算机技术的大力发展取得了极大的的进展，目前国内外较为通用的计算方法是频率洪水与可能最大洪水。频率洪水计算根据随机变量暴雨或洪水概率密度曲线分布函数的型式不同，可有多种不同的线型。根据李元章、李松任等学者研究验证表明，P-Ⅲ型分布线型在水文频率计算方面为较优的一种线型。频率曲线的线型选定后确定分布函数的问题就变成估计分布中所含的参数。J.A.Greenwood等人用概率权重矩法分别对通用极值分布、威克比分布、耿贝尔分布给出参数估计计算公式，研究表明具较好的统计特性。侯玉等学者比较了七种参数估计方法，比较得出用概率权重矩法求得的参数较为合理。陈元芳、侯玉指出绝对值准则适线法和概率权重矩法（PWM法）是一种较为优良的P-Ⅲ型分布参数估计方法。胡素端指出估计的参数和所选择的适线准则、经验适线或目估适线以及分析人员的水平和经验等因素有关，但只要程序、算法设计得当，参数精度仍可在允许的误差范围内。
设计洪水问题与工程造价、工程安全密切关系，几十年来国内外水利工作者围绕设计洪水标准、计算途径和方法展开过多次争论，这种争论推动了水利科学的发展。本文以贵州省魁龙水库为例，采用暴雨暴雨资料和参证站实测洪水资料和历史洪水资料推求设计洪水，得到了较为符合设计流域实际情况的结果，相关研究可以为设计洪水计算提供一定的借鉴和参考。
2 研究区概况
魁龙水库在魁龙河下游，坝址位于东经107°51′30″，北纬27°12′21″，总库容1152万m？，属中型水库。区域总体地势四周高中间低，中部为规模较大的余庆断陷盆地，受地层岩性及构造控制，区内侵蚀溶蚀作用强烈。魁龙河流域属溶蚀浸蚀型低中山谷地地貌，区域气候温和湿润，雨量丰沛，属亚热带季风气候区，区域多年平均气温约16.6℃，多年平均降雨量1091.8mm，其中最大年降水量1462.1mm，最小年降水量708.3mm，年内分配不均，多年平均汛期5～10月，降水量占全年74.8%，实测最大日暴雨量174.9mm。
3 设计洪水计算
3.1 暴雨资料推求设计洪水
3.1.1 暴雨特征
设计流域位于乌江和沅江分水岭地带，属于一般暴雨区。5～10月为汛期，历时1天左右大暴雨集中在6～9月。根据当地气象站1951～2010共59年资料统计，实测最大日暴雨量174.9mm，年最大日暴雨多出现在6～9月，占74.6%，其中6月份为最频繁，占28.8%。
3.1.2 设计暴雨
气象站实测年最大日暴雨量资料有1937～2010年系列共74年，对其进行频率计算，采用P-Ⅲ型曲线进行适线，成果见下图1及下表1。
年最大日暴雨系列值适线后H日=81.3mm（H24=91.1mm），Cv=0.45。查阅《贵州省短历时暴雨统计参数等值线图集》之“年最大24小时点雨量均值等值线图”和“年最大24小时点雨量Cv值等值线图”可知H24=86mm，Cv=0.45，偏安全考虑本次设计流域洪水计算暴雨成果采用值H24=91.1mm，Cv=0.45，Cs=3.5Cv。1小时暴雨根据《贵州省短历时暴雨统计参数等值线图集》查算为S=40.0mm，Cv=0.40，Cs=3.5Cv。通过适线得到以下成果，详情见下表2。 3.1.3 设计洪水计算
魁龙河坝址以上流域面积19.3km2，小溪河坝址以上流域面积20.1km2，几个流域均属于植被较好、开垦度一般的山区，河道蜿蜒曲折，同时根据流域几何特征值θ（魁龙河坝址以上流域θ=L/J0.33·F0.25=13.3≤30；小溪河坝址以上流域θ=L/J0.33·F0.25=14.6≤30），综合分析，采用“修订公式”形式如下：
式中：Qmp-某设计频率之洪峰流量（m3/s）；r1-汇流参数；f-形状系数；J-主河道平均坡降；F-流域面积；C3-洪峰径流系数；H24p-某设计频率最大24小时暴雨量；h24p-某频率洪量径流深。
在计算过程中，汇流系数r1根据流域情况取0.35，C3取值范围为0.74～0.87，魁龙水库坝址和小溪河拦河坝址处各频率设计洪峰流量、最大24小时洪量如表3所示。
小溪河洪水可通过隧洞引至魁龙水库导致魁龙水库设计洪水还需要考虑引洪量，该隧洞的最大允许过流量为6.50m3/s。首先，依据小溪河拦河坝坝址处洪水过程线对其中大于6.50m3/s的部分作弃水处理得到隧洞引洪过程线，然后根据魁龙河坝址处同频率洪水过程线对应合并得到魁龙水库坝前设计洪水过程线和设计洪水洪峰流量和最大24小时洪量，详见表4。
3.2 流量资料推求设计洪水
3.2.1 参证站洪水资料
洪峰流量有1961年～1995年35年实测资料，以及历史洪水资料，组成洪水系列资料。洪峰流量还原计算首先根据团结水库出库流量及库水位，推得团结坝址天然洪水，然后根据坝址天然洪水再演算得到水文站洪水，从而建立起还原洪水与实测洪水的关系。
3.2.2 参证站设计洪水
参证站设计洪峰计算根据还原后洪峰流量系列35年和历史洪峰5年组成不连序系列，利用P-Ⅲ型曲线适线，频率曲线见图2，设计洪峰流量结果如表5。
3.2.3 流域设计洪水计算
根据参证站洪峰系列计算成果，用以下公式计算出魁龙水库坝址设计洪水均值。
式中：Q设-魁龙水库坝址设计洪水均值；Q参-参证站的设计均值；F设-魁龙水库坝址流域面积19.3km2；F参-参证站774km2的流域面积；n-洪峰流量或洪量消减指数。
首先根据余庆水文站洪峰流量均值比拟至200km2（其中洪峰消减指数n取0.67），再根据“雨洪公式”比拟至魁龙水库坝址（其中洪峰消减指数n取0.716），得魁龙水库坝址处洪峰流量均值为35.4m3/s。在同一流域内一般有洪峰Cv值随流域面积减少而增大的规模[8]，参照本地区其他水文站的分析成果：长坝水文站流域面积5454km2洪峰流量适线Cv值为0.43，上游银水寺水文站流域面积1278km2、旺草水文站流域面积413km2洪峰流量适线Cv值分别为0.58和0.74；二郎坝水文站流域面积3149km2洪峰流量适线Cv值为0.57，上游桐梓水文站流域面积458km2洪峰流量适线Cv值为0.62。魁龙水库坝址流域面积19.3km2占余庆水文站流域面积774km2的2.5%，根据以上各站Cv值变化趋势，魁龙水库坝址处Cv值按0.90考虑，各频率洪峰流量成果见表6。
4 结果与分析
从上述两种方法推求的设计成果来看：“流量法”各频率洪峰流量成果较“雨洪法”成果分别小1%～23%。
一方面考虑参证站流域面积较设计流域面积相差太大（近40倍），已超出通常的比拟适应范围，所推算成果仅供参考；另一方面考虑到设计流域面积不足25km2，属特小流域，而邻近又无面积相近的特小流域水文站实测资料，故采用《贵州省暴雨洪水计算实用手册》中专门用于特小流域洪水计算的“修订公式”计算。在计算公式的采用中对公式适用条件进行了合理判定，如流域下垫面条件、流域面积、流域几何特征值θ等，所选择的公式型式是正确合理的。计算过程中公式中各参数的确定均倾向于偏安全取值，如洪峰径流系数、汇流系数等，所以推求的洪水成果与相应频率的历史调查洪水成果比较也是合理的，经与 “流量法”成果比较来看，成果相近稍偏大，也说明其属合理且偏于安全，所以本次计算采用“雨洪法”成果。
5 结论
目前国内在进行洪水频率计算时广泛采用的适线法因人的主观思维使结果产生差异，其客观性较差。广泛应用于中国的设计洪水分析研究中的历史洪水法明显有助于提高研究结果的可靠性，但还有必要做进一步的讨论确定其合理使用的条件和对其有效性进行定量估计。因此，寻找一种具有良好统计特性的目标参数估计方法具有十分重要的现实意义。计算结果表明，本文所采用的研究思路是可行的，该方案最大的特点是可以使两方案的结果相互参考，提高了最终结论的可靠性。
参考文献：
[1]丛树铮，陈元芳.适线法中拟合优度与设计值精度关系的分析[J].河海大学学报，1989，17（4）：97-102.
[2]李松仕.对数皮尔逊Ⅲ型频率分布统计特性分析[J].水利学报，1985，9：43-48.
[3]张静怡，徐小明.极值分布和P-III型分布线性矩法在区域洪水频率分析中的检验[J].水文，2002，22（6）：36-38.
[4]WANG，Q J.Unbiased estimation of probability weighted mmoments and partial probability weighted moments from systematic and historical flood information and their application to estimating the GEV distribution.Journal of Hydrolody，1990，120（1-4）：115-124.
[5] 王国安.中国：设计洪水向何处去[C].中国水文科学技术与研究进展，2009，54～57.
[6]尤爱菊.库水位随机分析与研究[R].硕士论文，1999.
[7]胡素端，宋松柏.高阶概率权重矩在洪水频率分布参數估计中的应用[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2013，41（6）：207-213.
[8]朱佳君，张钰，何彬等.对水文频率分析中目估适线法的思考[J].人民长江，2011，42（2）：13-16.