無資料地區(qū)設(shè)計洪水計算成果合理性探析

劉惠敏，胡昊

無資料地區(qū)設(shè)計洪水計算成果合理性探析

劉惠敏1，胡昊2

（1.廣東河海工程咨詢有限公司，廣東 廣州 510610；2.廣東珠榮工程設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510610）

設(shè)計洪水是無資料地區(qū)推算洪水水位、洪水水量等參數(shù)的基礎(chǔ)，其一般采用正常經(jīng)驗公式的方法，結(jié)合高精度的計算模型（例如DEM分布式模型），對洪水水位等參數(shù)的計算結(jié)果進(jìn)行精確對比分析，并結(jié)合設(shè)計流域、相似流域進(jìn)行成果綜合性對比分析，對其合理性進(jìn)行研究。以某地區(qū)河流流域為研究對象，根據(jù)水系特點、當(dāng)?shù)亟邓康忍卣?，針對洪水的特性采用流域?nèi)比擬法設(shè)計洪水，最后對計算結(jié)果的合理性進(jìn)行了探析，供相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員參考。

無資料地區(qū)；設(shè)計洪水；計算成果；合理性

水文現(xiàn)象具有顯著的地區(qū)特性，不同地區(qū)的水位特性差異化明顯，如果在相似地理環(huán)境下，某幾個的水域環(huán)境會發(fā)生相同規(guī)律的變化與發(fā)展，具有動態(tài)的協(xié)調(diào)性特征。

在研究流域設(shè)計洪水計算結(jié)果合理性的過程中，應(yīng)選取相似的流域，稱作參證流域或者相似流域。所采用的流域比擬法結(jié)合流域間各動態(tài)參數(shù)的相似性特征，并將相似流域的各種水文資料用在目標(biāo)研究流域中，彌補無材料地區(qū)洪水水位設(shè)計存在的缺點。鑒于此，通過選用流域比擬法推算求得無資料地區(qū)設(shè)計洪水計算結(jié)構(gòu)的合理性，如設(shè)計洪水和設(shè)計流量等。

1 地理概況描述

某流域為二級支流，發(fā)源于秦嶺主脊，整體水系呈羽狀分布，流向為自西向東，最后排入都井溝口，先后經(jīng)過水層溝等再匯入鄰近的流域，此流域位于秦嶺的中低部山區(qū)，山高路窄，流域面積達(dá)到101.2 km2，平均的地勢坡度達(dá)到了0.28°，且河網(wǎng)流域的密度達(dá)到2.3 km2。此流域內(nèi)含有水庫一座，水庫的壩址上流域的面積為80 km2。

此流域主要由上游半山區(qū)降雨形成，同時洪水的水位在暴漲的過程中，洪峰歷時短，且洪峰多為單峰型，且峰型較尖。在此流域內(nèi)，發(fā)生過最大的洪水量的年份主要在1965年、1988年和1994年，且1965年發(fā)生的洪水最大，洪峰洪量位流為466 m3/s，第二大洪水的洪峰流量為348 m3/s。

2 流域比擬法設(shè)計洪水

針對某地區(qū)不同頻率的設(shè)計洪水，對水文站資料進(jìn)行分析，推求對應(yīng)的設(shè)計斷面處設(shè)計洪水量，設(shè)計的公式如表1所示。

表1 CV、CS/CV及洪峰流量數(shù)據(jù)對比

某流域水文站均值CVCS/CV洪峰流量 P=1%P=2%P=3.33%P=5% 53.1 m3/s1.95 m3/s2.25514.94 m3/s394.28 m3/s309.98 m3/s246.71 m3/s

設(shè)計斷面處的設(shè)計洪水?dāng)?shù)值的推算公式如下：

=參×參（1）

式（1）中：為設(shè)計站的洪峰的流量值；參為參證站的洪峰流量值；為設(shè)計站的控制集水面積，由實際的調(diào)研結(jié)果顯示，古路板畫的集水面積為1 260 km2；參為參證站控制集的水域面積，其中集水面積可以達(dá)到620 km2；為對應(yīng)的面積指數(shù)，取值一般設(shè)置為0.67。

將以上設(shè)計值代入到對應(yīng)的流域比擬法計算應(yīng)用公式中，根據(jù)已有的公式計算得到某洪水測量站所測得的50年一遇防洪（=2%）的標(biāo)準(zhǔn)為對應(yīng)的洪水設(shè)計洪峰流量的防洪為=634 m3/s；而30年一遇的測洪（=3.33%）的標(biāo)準(zhǔn)為對應(yīng)設(shè)計洪峰流量的測洪值為=499 m3/s，20年一遇的測洪的標(biāo)準(zhǔn)為對應(yīng)設(shè)計洪峰流量的測洪值為=396.8 m3/s。

由流量的計算公式可知，曼寧經(jīng)驗公式計算如下：

=2/31/2

=（2）

式（2）中：為明渠水流的流速；為糙率；為水力半徑，一般可以用平均水深來代替；為坡降，是根據(jù)勘察的結(jié)果進(jìn)行有效設(shè)定的，根據(jù)水流域的上下游的高程點的位置，計算的坡降值為0.001；為整個水域的計算面積。根據(jù)水質(zhì)勘察的結(jié)果顯示，某水域的水文站住址處主要涉及到的是細(xì)沙砂，且河底中有眾多的水生植物等，糙率按照相應(yīng)規(guī)范的要求，一般為0.03。

根據(jù)實際測得的水域流域的設(shè)計洪水及水位的數(shù)值，繪制對應(yīng)面積的關(guān)系曲線，從而根據(jù)同水位級別的水位流量，繪制對應(yīng)的水位流量變化曲線圖。由繪制出的水位流量曲線圖可以查到50一遇的防洪水位下的設(shè)計水位值防洪=99.10 m，30年一遇的防洪水位值測洪為98.50 m，計算的最終結(jié)果如表2所示。

表2 某水位站設(shè)計流量及設(shè)計水位計算成果數(shù)據(jù)表

防洪標(biāo)準(zhǔn)（50年一遇）防洪標(biāo)準(zhǔn)（30年一遇） 設(shè)計流量/（m3/s）634499 設(shè)計水位/m99.1098.80

3 設(shè)計洪水計算成果合理性分析

3.1 應(yīng)用多種方法開展成果對比分析

利用經(jīng)驗公式進(jìn)行無資料地區(qū)綜合區(qū)域的洪水水位及水量的計算與設(shè)計，結(jié)合當(dāng)?shù)氐木C合洪水資料，建立有一定依據(jù)性的關(guān)系方程式，可以收獲較少的參數(shù)，并能夠簡化整個計算過程，便于獲取有效的計算結(jié)果。

從實際推理的關(guān)系式上看，可以充分結(jié)合等流時線的理論概念，將線性的匯流結(jié)果及理論進(jìn)行分析，并從經(jīng)驗公式中進(jìn)行合理化推算，利用明確的物理概念，在理論應(yīng)用上可以得到更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)果。

此方法的應(yīng)用是當(dāng)前小流域暴雨沖刷導(dǎo)致的洪水水位及水量測算的主要應(yīng)用方法。其次，水文比擬法是通過對相似的流域的洪水資源進(jìn)行采用，結(jié)合研究的目標(biāo)流域與相似流域的具體參數(shù)之間對比分析，進(jìn)而修正基于高精度修正計算得到的參數(shù)的方法；而分布式的水文模型是指在利用高精度DEM建立數(shù)據(jù)的水文模型過程中，運用新的思路和方法，促進(jìn)和提升對應(yīng)數(shù)值可靠性。

綜上可知，對于不同的計算方法的運用可以利用對應(yīng)地區(qū)的經(jīng)驗公式進(jìn)行計算，例如水文比擬法、推理公式法等，由于幾種對比方法的計算結(jié)果顯著性差異不大，因此可以結(jié)合安全管理的角度，實現(xiàn)對使用成果合理性的分析，從而為分布式水文模型建立過程中的相關(guān)水位數(shù)值提供相應(yīng)參考，并對其合理性進(jìn)一步進(jìn)行研究。

3.2 與已有的設(shè)計成果資料進(jìn)行有效的對比分析

通過計算，對設(shè)計的洪水結(jié)果進(jìn)行有效對比，其中設(shè)計的流域利用推理公式法、經(jīng)驗公式法和水文比擬法，得到成果與已有的成果差距不大。通過地區(qū)經(jīng)驗公式法可以得到對應(yīng)水位的值為192，面積比擬法為180，推理公式法為176。因此在整個流域的洪水水位及水量的推算和設(shè)計過程中，應(yīng)注意對關(guān)系方程式的選擇，一般可以按照實際洪水水位的大小，設(shè)計相應(yīng)的成果資料，并結(jié)合實際的水流面積進(jìn)行相應(yīng)的計算和分析。

3.3 與相似的相鄰領(lǐng)域之間的對比分析

與相近的流域進(jìn)行對比分析，可以得出相鄰流域的洪水水位及流量的對比分析值，此水域內(nèi)的水文監(jiān)測站中，通過分析相應(yīng)水文站的建站類型，可以得出最近10年中歷年洪水水位的變化值，其中此流域中的洪水水位最大的值在1957-08-27，其具有不同的重現(xiàn)期，其中洪水量在260 m3/s時，出現(xiàn)過的洪水次數(shù)為1次；洪水量在216 m3/s時，出現(xiàn)過的洪水次數(shù)為2次；洪水量在160 m3/s時，出現(xiàn)過的洪水次數(shù)為5次；洪水量在114 m3/s時，出現(xiàn)過的洪水次數(shù)為10次。從統(tǒng)計的結(jié)果上進(jìn)行預(yù)估，此流域內(nèi)的洪水水量及水位不會再增大。

3.4 與新的研究方法、新理論方法的對比分析

針對無資料區(qū)域的洪水水位及水量的計算，用綜合分析的方法，建立相互利用、相互驗證的水文分析原則，不斷研究和創(chuàng)新新的研究方法，對比國內(nèi)外此領(lǐng)域研究應(yīng)用的現(xiàn)有方法，對SWAT、TOPMODEL等方法進(jìn)行分析，對比各項計算方法和方式，結(jié)合工程實踐的內(nèi)容，對計算的結(jié)果進(jìn)行對比，合理確定最終的計算結(jié)果。

本流域的計算成果中，50年一遇的設(shè)計洪水流量為634 m3/s，30年一遇的洪水設(shè)計流量為499 m3/s，與流域內(nèi)的上游實際測量的1956年的資料相匹配，與1988年記載的相關(guān)數(shù)據(jù)資料相匹配，由設(shè)計流量可以推算出此流域內(nèi)的防洪標(biāo)準(zhǔn)水位為99.00 m，測洪標(biāo)準(zhǔn)的水位為98.5 m，可以對比看出，兩者之間的差距并不大，因此可視為本次設(shè)計的成果是合理性的。

4 結(jié)束語

對于無資料地區(qū)的設(shè)計洪水水位及水量的計算可運用多途徑、多方法的計算方式，進(jìn)行綜合分析，突出重點，合理運用理念進(jìn)行對比分析，這樣才有利于利用綜合性的分析，使計算的結(jié)果和設(shè)計結(jié)果能夠更加貼近合理值范圍。此外，從數(shù)據(jù)分析的理論上看，水文參數(shù)的測算一般應(yīng)遵循“三分靠計算、七分靠分析”的原則，因此在無資料水域水文參數(shù)的測量與設(shè)計的過程中，應(yīng)保持多種設(shè)計方法并用，最終結(jié)合相互促進(jìn)、相互滲透、相互輔助的方式，對多種計算和設(shè)計得到的結(jié)果進(jìn)行對比分析、綜合性比較以后，可以客觀地評價選定結(jié)果的準(zhǔn)確性。建立對于無資料區(qū)域的水域設(shè)計水量的計算新理念、新思想，并應(yīng)用創(chuàng)新性的新模式構(gòu)建基于傳統(tǒng)手段向數(shù)字化模型建立的過程，針對小型流域的洪水水位及水量的測量和設(shè)計，應(yīng)首先依據(jù)傳統(tǒng)的設(shè)計和計算方式，結(jié)合分布式水文模型或者半分布式的水文模型等新的知識體系、新的研究方法和理論，并結(jié)合無資料地區(qū)的水文計算方式的創(chuàng)新，開辟更高水平的水文計算途徑。

［1］王克平，許清香，馮民權(quán).無資料地區(qū)小流域設(shè)計洪水計算方法研究［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2008，24（7）：56-59.

［2］劉剛，袁鵬，黃克威，等.基于HEC-HMS模型的四川省無資料地區(qū)設(shè)計洪水計算［J］.中國農(nóng)村水利水電， 2014（4）：65-68.

［3］郭宇欣.無資料地區(qū)設(shè)計洪水合理性分析［J］.水土保持應(yīng)用技術(shù)，2002（6）：14-15.

［4］劉玉生，朱海濱，朱丹.調(diào)查洪水在無資料地區(qū)設(shè)計洪水計算中的應(yīng)用［J］.黑龍江水利科技，2013，41（7）：41-43.

［5］金鑫，高世斌，蔡濤，等.遼寧省無資料地區(qū)徑流預(yù)測方法研究［J］.人民珠江，2018（2）：14-18.

TV122.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.016

2095－6835（2019）13－0039－02

劉惠敏（1991—），女，河南周口人，研究生，畢業(yè)于華北水利水電大學(xué)，助理工程師，主要研究方向為水文預(yù)報。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕