甘肃洪水计算问题回顾与解析

甘肃洪水计算问题的回顾与追述

前　言

甘肃水文工作的三大问题是：第一，洪水观测计算研究问题。主要内容应包括站网建设，洪水的设计计算问题等。

第二个问题是水资源的评价和水环境的评估，所谓水资源当然包括水量（地表水和浅层地下水）和水质两方面的内容，缺一不可。

第三个问题,水文情报预报。情报是实时的为社会经济服务。预报则是前瞻性的，具有更重要的意义。洪水预报就是我们水文工作者的头等重要的事情。因为牵涉人民生命财产的安全问题。

在谈洪水问题时，也必须讲干旱，干旱的情报预报也是极重要的事情，不仅要知情（已发生的干旱情况），更要予知，这才是最重要的。

本文主要阐述几十年来甘肃水文工作中解决洪水计算工作的回顾与追述。

一、水文站网的建设原则

按国家《水文站网规划技术导则》的规定原则，概括地说就是三大原则：线的原则，面的原则（区域原则），和站群原则（小面积）。它的核心精神是按照科学的经济的原则，在一个区域内布设最小数量的水文站网，达到面上控制或者说可以内插任意地点的基本水文特征值的要求。从而能为全面的水文计算和水文预报服务。

1.线的原则是指在大河流（面积大于5000km²）干流上的布站原则。最上游第一站的控制面积应近于5000km²左右，以下沿干流布站的间距，原则应使其增加的面积不少于15%～20%，有大支流加入可以加站。目标是使两站间干流内插的水文特征值的误差控制在±10%或±15%（要求低些）以内。当然边远地区还可以放宽。

2.面的原则，指流域面积在200～5000km²的水文站的布站原则，首先要按流域自然地理（地形、地质、地貌）气候（包括植被等）一致性等条件,也就是水平衡原则来划分水文分区。比如陇东黄土高原沟壑区，陇南湿润山林区等。然后在一个水文分区内布设若干具有不同面积级及流域特征（形状、河长等）代表性的流域来布站。要注重其控制性和流域内自然条件的一致性，在一个水文区内，虽然地理气候条件具有大体的一致性，但不同流域仍会有一些差别。比如高程的差别，地质条件的差别，植被的差别等。因此布站要有代表性。

3.站群原则，这一原则主要指小面积站的布设，当然还有专设的径流实验站，在实验流域内可以比较多地布设一群各种对比实验站点。其目的是为了探索水文规律的机制，实质就是检验各种水文模型参数，建立参数与流域地理特征值的关系。因为有关的地理特征值是相对固定的，可以量算的。二是就可以利用模型（数学计算公式）通过电脑计算相应流域的水文特征值。这就达到了水文站网规划布设的基本目的。

这一途径是建立在暴雨与径流(洪水)关系的基础之上的，因为暴雨资料是容易获得的，只要布设一定密度的雨量站即可。然而我们甘肃或者说干旱、半干旱、黄土高原地区的问题，恰恰就出在这个前提上。

二、甘肃省水文站网的建设回顾和问题的解决途径

1.规划和建站

1956年在国家的统一布置下，我省做了全面性的，第一次站网规划，经过四年的快速建站，至1960年全省水文站网增加一倍，达到70多站，困难时期一下裁掉1/3，只剩下50多站。接着经过四年的恢复，但在“文革”中又撤掉了。作者在1973年谪后归来，第一件事就是抓设站,在短短的四年中（1974—1977），新设24处水文站，截至80年代初，全省水文站总数（断面数）已近百处，达到了最高峰，基本上完成了第一次站网规划的宏图。

我不是领导，但我把它看成是自己的事业，不知怎的，技术工作上是我说了算的。在这些年间，我们做了水文手册，图集、水文统计等许多工作，特别在进行暴雨洪水分析计算时,发现了许多问题,也就是不少地区水文站所测的雨洪资料不配套，为洪水计算（产、汇流计算）工作带来困难。在一些湿润地区做水文模型计算还可以。我在1974至1976年期间编制水文图集工作中曾在陇南湿润山林区及其相邻区域分析研究了区域产汇流关系，主要用瞬时单位线方法，得出了初步满意的结果，最少是在我省第一次有了这样的研究成果。本成果已全部编入水文图集刊印本中。此后我第二次谪洮，此期间图集出版时，有人居心叵测把它删除了。此事实属悲哀。返兰后知此情节，徒存怅然而已。

2.存在问题的解决途径

站网是水文工作的战略布局（部水文局语）实则亦然。没有科学合理和完备的水文站网，全面系统地、长期地搜集大量的资料，所谓科学的水文工作，那只能是无米之炊。所以我们始终把水文站网工作放在一切工作的首位。有了基本的站网以后，那么水文测验工作就是第一位的了。水文测验工作的核心就是抓质量。贯彻规范，抓整编审查，层层把关，把质量放在第一位。否则错误百出或不合格的资料，怎能做为科学分析的第一手资料呢？

1.水文现代化问题。现在科技进步，国家倡导水文工作现代化。什么是现代化呢。报上有一段话，可以转用于此：

“农业劳动者和农业人口向工业、副业和城镇人口的转移过程，就是农业现代化的过程”

同样，我们可以说“水文职工向城市转移的过程也就是水文工作现代化的过程。”

具体怎么作呢？当然是学习和引进先进技术，全部和大部按先进国家的做法，搞无人值守，测站全盘实现自动和遥测遥控。简单地说，就是水文站只留一个自记水位计（可以委托当地人看护），雨量站和现在一样委托，但必须是自记的。流量测验采用巡测的办法。比如现在的水文分局组成若干巡测组，分片负责各站测流任务。在技术上，测流量只是为了检验以往的水位流量关系，测次可以大大减少。当然前提是原来的水位流量关系必须良好，即断面控制好。有的可以利用工程设施测流。这样，全省的水文站布局应当是：大江大河控制站是有人值守的，和现在的水文站一样，其余大部分站，特别是边远山区水文站全部应建成无人站。这样我们不但保证了现有站的稳定，而且还可适当地增设那些原来已有规划，或现在为研究工作需要而补充的新站，使全省水文站网布局更加合理，站网数达到国家规定（规范规定）的布设密度要求。特别是还可增设一些新研究课题急需的新站。能实现这些目标也就可以达到了“水文职工向城市转移的目标。”或者说基本实现了水文工作现代化。否则依然是几个人驻守一个水文站，盖一处房子，长期蹲山沟，枯季多半年没多少工作，是人才的最大浪费。过去因技术落后，人员工资成本低，用驻站坚守的办法，还是可以的；现在要继续这样，不是既浪费金钱又浪费人才吗？况且大部分年轻人也不顾意留驻山沟。

②关于洪水问题的解决途径。我在另一篇《一个创举——中国式的站网发展方向》一文中已经作了阐述，问题是现在的事情怎么样了？

定点洪水点的布设从1976年就在全省大面积铺展开来，水文站的同志们非常认真积极承担了这项工作，水文总站也有专门的人员负责收集和整理这些资料，截至我退休时（1993年），大部分定点洪水资料已积累十六年的洪水系列。我们的最初目标希望能积累30年以上的洪水系列。记得我在一次会上曾这样说过：“在我退休以前，这项工作绝不能松动（因当时就有要求停测的暗议）”然而后来的事情正是应验了。陆陆续续，许多站都停测了，前几年托人搜集了一部分定点资料，比如临洮片上大部分站止于1996年。现在全省还存有多少站，少人问津。难怪有同志喟叹“创立一个局面确实很不容易，花费了多少水文工作者的心血；毁坏一个局面太简单，一句话就可以了。”“很多洪调点和雨量站的系列没有延续下来，实在是非常惋惜的……罪孽啊！”

关于动点大暴雨洪水调查问题，起初大家确实很积极，在八九十年代以前，全省调查的大暴雨洪水不下几十场，比如有名的土门暴雨，桦林暴雨，临洮暴雨，化马暴雨，天祝暴雨，金川暴雨等，当然还有陇东调查的许多暴雨以及他们的分析研究工作。许多同志是极其认真负责的。外业调查，内业整理报告，都是重要的科学成果，为认识甘肃的暴雨洪水规律，做出了贡献，调查成果大部编入全国暴雨研究报告之中，（水电部安排的重要研究成果）。在这些工作中，也锻炼和培养了水文工作者的才能。最近十几年来再少听说调查之事了。某年某地发生大暴雨洪水灾害，听之任之，好像与我们的工作不沾边。

三、关于洪水计算问题的出路和结论

1.地区场选样洪水综合计算方法的提出。由部水文局布置，在我省与宁夏区和南京水文所共同努力下，由文康教授提出了《地区场选样洪水综合计算方法》。这一方法就是在我们多少年追求解决甘肃及干旱半干旱黄土高原地区洪水计算问题，设立了大量的定点洪水点网，在广大面上搜集洪水资料的基础上，研究出来的。它很好地结合了国家水文站网，定点洪水点系列和包括暴雨调查，历史洪水的普查等大量的资料。完善了古典的洪水地理综合方法，大大地提高了精度。根据对泾河流域资料应用分析，结果是满意的。这一套方法显然可以借用于全省其他地方进行洪水分析计算。当前我们的任务应当是组织力量，全面开展此项研究工作，首先把以往全部洪调定点资料系统搜集整理，有多少算多少，梳理成册，或者应该刊印。进一步的工作是系统的洪水分析，可以集成图册，供社会应用，最少可以在近期完成我们的宿顾。

2.作者前期所作的成果。作者前期在为“兰成输油管线工程”提供咨询时，所写的报告中，有关洪水计算问题的内容，缩列于后。这些内容基本是按地区场的方法原则，初步整理的，有关成果对照了石新华泾河流域分析计算结果，及原图集内容，并使这一成果在地区分布上更趋合理，以及调整了它们（有关公式）之间的地区上递变的关系，更符合实际暴雨渐变的客观规律，也改变了原来图集中曲线斜率（公式指数）畸大畸小，相互交叉等缺陷。

（1）洪水计算区域的划分

我省东部地区共划分为四大区域，即a.泾河流域（去除东西两侧的土、石山林区），b.渭河流域及洮河下游，和黄河南岸诸支流；c.渭河南部、陇山区域；d.嘉陵江林区。

（2）区域洪峰面积关系曲线的外包线

首先点绘各区实测和调查最大流量，包括定点洪水的洪峰——面积关系，（双对数纸），概化其分区外包线，其数值列如下表：

外包线是综合了已发生的实测或调查的大小河流的最大洪水，可认为是最大可能发生的洪峰流量，它的重现期近于千年一遇（p=0.1%），外包线各区的公式为：

a、泾河流域(www.xing528.com)

Q_m=90F^0.5610km²＜F≤1000km²

b、渭河流域

Q_m=80F^0.5310km²＜F≤1000km²

c、渭河南部及陇山区域

Q_m=64F^0.5010km²＜F≤1000km²

d、嘉陵江区

Q_m=85F^0.5510km²＜F≤1000km²

式中F—集水面积，Q_m—可发生最大洪峰流量或相当于P=0.1%。

嘉陵江流域系指陇南石山林区，永宁河娘娘坝以东，西汉水顺利峡以下流域，西止于岷河流域。

渭河北部主要包括渭河主要支流，不包括秦岭山地、六盘山及陇山山地区域，这一部分地域划归渭南区。洮河下游黄土高原区，包括大夏河下游区以及祖厉河，兰州干流以南黄土高原区，均可划归b区。其中祖厉河，兰州段限于资料，分析较少，所列公式或可能偏大些。

（3）洪水的地理综合关系（按“地区场”方法）

经综合分析将各流域百年一遇的设计洪峰流量列如下：

a、泾河流域

Q_p=1%=50F^0.56　　10km²＜F≤1000km²

b、渭河流域及洮河下游，兰州干流以南黄土丘陵区：

Q_p=1%=38F^0.56　　10km²＜F≤1000km²

c、渭河南岸及陇山等土石山区

Q_p=1%=31F^0.56　　10km²＜F≤1000km²

d、嘉陵江区

Q_p=1%=45F^0.56　　10km²＜F≤1000km²

以上是我经过反复分析后提供的洪水计算地区综合公式，它有以下特点，第一把全省原来那些公式重新做了梳理。第二统一了指数，总体上设计值有些压低。主要有以下原因，应用地区场方法以后，将单站频率曲线用面频率曲线做了纠正，解决了那些吊灯笼问题，从而也压低了单站频率曲线，使地区CV值普遍减小，这是合理的。因为随着资料系列的增长，势必也是这样的结果，所以总体压低是合理的。

（4）关于洪水CV值问题,过去单站计算的CV值，多数系列较短,因此数值变幅在0.9～2.5之间，包括一些定点洪水资料，只有16年资料，所以极不合理。据分析，特别是水文站的资料，长系列30～40年以上CV值就相对稳定的多了。因此判断：面上各流域的CV值变幅应控制在0.8～1.2之间，小河大些。

小面积短系列资料均值变幅也很大，如陇东山庄站，15年均值为22.6m³/s，16年就变成39.2m³/s；双城站由20.8增至52.9m³/s，所以仅按CV，均值设计洪水值是很不稳定的。

（5）关于洪水的过程设计问题，对于按上述地理综合公式计算的洪水，洪水过程一般仍应用选典型放大的方法。当然用暴雨洪水模型计算，过程就都有了，但也是按暴雨的设计频率来确定的，所谓同频率对待。这一概念也多有争议。

（6）洪水特性

无论大小河流，大洪水均由大暴雨形成，但不同的暴雨类型及不同的下垫面流域，产洪条件相差很大，一般可归纳为以下规律：

黄土高原的中小河流，大洪水主要由局地性强雷暴雨所形成，降水历时短，雨区笼罩面积小，暴雨中心雨量大，雨强住往超过60mm/h。发生的洪水陡涨陡落，洪峰大，起涨时间短，往往不足1小时；落峰快一般2～3小时，因此峰高量小。起涨时间为什么这样短呢？以住有种说法，认为主要是沟道洪水的缘故，产洪主要是槽流，而面上汇流很少，实则并非如此。其根本原因是由局部产流所形成。如一个暴雨，虽其中心雨量很大，但雨区面积很小，其半径往往数公里，一般小于10km，若断面平均流速以4m/s计（指平均传播速度），则沟道最大洪峰出现时间，也只有40分钟。另一个特点是洪峰传播过程其峰值不是沿程递减的，（这一点非常重要），往往有峰值增加之势。原因是峰前低水段流速小，峰部流速大，因此有“后浪赶前浪”的情况，甚至盖过前浪。我们在分析会宁郭城驿段洪峰传播特性时就发现有此种情况。实际情况是会宁出现大洪水，会、郭区间未产流，而郭城驿站的洪峰值比会宁还要大些。

在黄土高原地区，很小的流域面积上可以产生很大的洪水，已调查的小面积历史大洪水，洪峰模数有的已超过世界纪录。

在石山林区的河流，流域下垫面以石山和密布的森林为特征，洪水则主要由大型锋面雨所形成，雨时长，雨量大，笼罩面积广，各流域所形成的大洪水，多由全面积汇流所形成，洪峰胖，历时长，洪量大。有的流域如天水耤河，其流域下垫面构成：上游为土石山林区，下游为黄土沟壑区，则水文站所测得大洪水过程为：前面一个尖瘦洪峰，紧接着则为上游来的胖矮洪峰。所以这种流域的设计洪水计算是很困难的。

四、几点感言

1.甘肃洪水计算的解决，始终在我的工作中和脑际中盘桓，前面已经讲的不少了，这里我还得说一件事。为了解决黄土高原暴雨洪水计算问题，在“文化大革命”那样紧张的时刻，1966年我们还设了临洮东峪沟径流实验站，起先是尧甸和临洮两个站，“文革”以后又增设两处小面积站（茨沟和南峪沟），同时布设了配套雨量（包括自计）站。然而遗憾的是多年来，始终未测到能够称之为全面产流的大洪水（特别是雨洪配套），这可说是一次重要实验，但不尽如人意。定点洪水工作的铺开，得到了部水文局的充分肯定和支持，直至“地区场”方法的提出，可说是我们在为甘肃洪水计算工作努力过程中的一个里程碑，自然是十分欣慰的，然而……

2.我在本文中提出了甘肃洪水计算地区综合成果，可以为当前有关地区洪水计算应用，其精度高于《水文图集》，可以有把握地说本成果是可以信赖的。我仅以此回报广大水文战友为开展定点洪水工作付出的努力，在此我更怀着沉痛的心情，向为完成定点洪水调查工作而牺牲的鲁如勤同志致敬。

但愿志者能更趋完善这一事业，一个老水文工作者的心声。

2010年3月