基于WetSpa模型的設計洪水計算

舒曉娟

(廣東水利電力職業技術學院，廣州510635)

自從新中國成立以來，我國興建了大量水庫。目前不少水庫由于年久失修，存在病險問題。當前，病險水庫的除險加固是我國重要并且緊迫的任務，而設計洪水的復核是水庫安全復核和除險加固設計的依據。近年來，計算機和“3S”技術的發展為分布式水文模型的發展提供了重要的技術支撐，使分布式水文模型成為水文科學的研究熱點。選取水文資料比較豐富的廣東省流溪河水庫流域，分別根據長期的流量資料、廣東省短缺資料地區推求設計洪水常用的推理公式法、基于WetSpa分布式水文模型推求設計洪水。對3種方法計算的結果進行比較，探討基于WetSpa分布式水文模型推求設計洪水的可行性，以期為短缺資料地區推求設計洪水提供新的參考。

1 設計洪水計算方法

1.1 常用設計洪水計算方法

根據水文資料條件的不同，《水利水電工程設計洪水計算規范》［1］規定:設計洪水常采用以下方法進行計算。

(1)由流量資料推求設計洪水。這是推求設計洪水最直接的方法，但需要計算流域有足夠長的實測和調查的洪水流量資料，通過頻率分析的方法計算設計洪水。

(2)由暴雨資料計算設計洪水。這是通過暴雨資料間接推求設計洪水的方法，該方法適用于流域洪水流量資料短缺，但暴雨資料充足的情況。可先根據暴雨資料用頻率分析法推求設計暴雨，然后根據產匯流方案推求設計洪水。

(3)缺乏資料情況設計洪水計算。當流域內洪水流量資料和暴雨資料都短缺時，可利用鄰近地區暴雨和洪水資料采用推理公式或經驗單位線計算設計洪水，所以該方法地區性較強。

1.2 基于水文模型的設計洪水計算方法

基于水文模型計算設計洪水，隨著水文模型的不斷發展。早期應用概念性水文模型，穆宏強等［2］應用改進的美國農業部土壤保持局提出的SCS模型(Soil Conservation Service)，計算石橋鋪流域50年一遇設計洪水。與湖北省小流域設計洪水計算的推理公式法相比，其計算結果與相同頻率的實測成果更接近。黃卡等［3］將美國環保局研制的SWMM(Storm Water Management Model)城市雨洪管理模型應用到廣州新機場設計洪水的計算中，認為該方法是城市防洪設計有效可行的新方法。近年來，隨著分布式水文模型成為水文科學研究熱點，也有學者將分布式水文模型應用于設計洪水的計算中。唐莉華等［4］應用北京市水利規劃設計研究院和清華大學共同研究構建的溫榆河分布式水文模型WDHM(Wenyuhe Distributed Hydrological Model)，算出溫榆河主要河流斷面不同頻率下的洪峰值。并將結果與北京市水利規劃設計研究院根據推理公式、半山區半平原疏浚河道法、等流時線等方法計算的結果進行比較。WDHM模型計算結果與其他方法計算結果基本吻合，不同計算方法得到了相互驗證。

1.3 基于WetSpa模型設計洪水計算方法

WetSpa模型是一個基于GIS技術的分布式水文模型，模型簡介見文獻［5］。如果研究流域具有30a以上實測和插補延長暴雨資料，基于WetSpa模型推求設計洪水，可根據暴雨資料用頻率分析法先計算設計暴雨，然后利用WetSpa模型推求相應的設計洪水。WetSpa模型不僅可以進行次洪水模擬，也可以進行連續洪水模擬。所以也可以直接將長期的暴雨資料輸入WetSpa模型，經過模型連續模擬計算，得到相應長期的徑流過程，再根據模擬的徑流過程用頻率分析法計算設計洪水。如果研究流域缺乏長期暴雨資料，可根據各地區水文圖集查算圖表，查出相應歷時的暴雨統計參數推求設計暴雨，再利用WetSpa模型推求相應的設計洪水。基于WetSpa模型，根據設計暴雨推求設計洪水，對于不同標準的設計洪水，水力半徑由與洪水累積頻率相關的冪函數關系式進行計算。原關系式中的參數主要根據歐洲的具體情況確定，不一定適用于我國，筆者根據廣東省的實際情況進行了調整。

2 流溪河水庫設計洪水計算

流溪河水庫流域最近的一次設計洪水復核是利用流量資料用頻率分析法計算設計洪水。這是當流量資料充分時，推求設計洪水最常用的方法。將基于WetSpa模型推求設計洪水的結果與根據流量資料計算的結果相比較，可檢驗基于WetSpa模型推求設計洪水的可行性。另一方面，筆者為了探索WetSpa模型在短缺資料地區推求設計洪水的可行性，將模型計算結果與用廣東省無資料地區設計洪水計算常用的《廣東省暴雨徑流查算圖表》［6］中的推理公式法計算的結果進行了比較與分析。

2.1 由流量資料計算設計洪水

1999年水利部珠江水利委員會勘測設計研究院和廣東省流溪河水電站對流溪河水庫設計洪水進行復核。設計洪水洪峰流量根據洪峰流量資料用頻率計算法推求。計算采用1959—1998年實測洪水年最大洪峰流量資料和調查考證的1881，1925，1949年這3次歷史特大洪水的年最大洪峰流量資料。特大洪水首項的重現期N=1998－1881+1=118 a。計算采用的理論頻率曲線的線型是我國常用的皮爾遜Ⅲ型頻率曲線。流溪河水庫設計洪水的標準為百年一遇，對應該標準洪水的洪峰流量計算結果為2 830m3/s。采用1959—1998年實測洪水的年最大24 h洪水總量資料，通過適線法進行頻率計算。根據該頻率曲線得到的最大24 h設計洪水總量計算結果見表2。最大3 d設計洪水總量計算，采用1959—1998年實測洪水的年最大3 d洪水總量資料，通過適線法進行頻率計算。根據該頻率曲線得到的最大3 d設計洪水總量計算結果為1.46億m3。

2.2 廣東省推理公式法計算設計洪水

廣東省無資料地區設計洪水計算常采用《廣東省暴雨徑流查算圖表》［6］中的推理公式法和單位線法。長期以來，推理公式法用得比較多，所以采用推理公式法計算流溪河水庫設計洪水。計算步驟如下:

2.2.1 研究流域下墊面情況的查勘及確定分區

流溪河水庫流域的地理特征值分別為:集水面積F=539km2、干流河長L=37km、干流平均坡降J=1.61‰。《廣東省暴雨徑流查算圖表》［6］將全省進行分區，根據研究流域的分區情況可查算相應的設計暴雨定點定面關系、設計雨型、產流參數和與匯流有關參數的關系線和圖表。

2.2.2 設計暴雨計算

根據《廣東省水文圖集》［7］可直接查年最大10min，1 h，6 h，24 h，3 d 點暴雨均值 ˉHt、變差系數CV等值線圖，得到研究流域相應歷時的特征值。取偏態系數CS=3.5CV，計算出設計頻率點暴雨量。點面換算系數乘以相應歷時的設計點雨量，即可求得相應歷時的設計面雨量Htp面，計算結果見表1。

表1 流溪河水庫流域設計暴雨量計算表Table 1 Computation results of design storm in Liuxihe reservoir basin

2.2.3 設計洪峰流量推求

根據《廣東省暴雨徑流查算圖表》［6］廣東省分區產流參數表，流溪河水庫流域屬內陸分區，可查得產流參數。根據工程集水區域特征參數315.7，查匯流參數m-θ關系圖，得到匯流參數m。根據推理公式(1)和(2)，求得設計洪峰流量Qm=2 039 m3/s。

式中:τ是流域的匯流歷時;hτ是最大τ時段的凈雨。

2.2.4 設計洪水過程推求

由《廣東省暴雨徑流查算圖表》［6］附表中的廣東省分區最大24 h及最大3 d設計雨型(暴雨時程t分配)表，查得珠江三角洲設計雨型。再根據表1計算的最大6 h，24 h及最大3 d設計暴雨量和產流參數，可得到最大24 h及最大3 d的設計凈雨過程。根據推理公式法全省綜合概化洪水過程線表，得到流溪河水庫流域的設計洪水過程，相應的最大24 h及3 d的設計洪水總量見表2。

2.3 基于WetSpa模型計算設計洪水

根據《廣東省水文圖集》［7］和《廣東省暴雨徑流查算圖表》［6］求得流溪河水庫流域最大3 d的設計暴雨過程，蒸發數據也可根據《廣東省水文圖集》［7］得到，將降雨過程和蒸發數據輸入WetSpa模型。利用流溪河水庫流域DEM(見圖1)、土地利用(見圖2)和土壤類型(見圖3)等數據，WetSpa模型可自動得到相應的產匯流計算所需要的空間分布參數。

圖1 流溪河水庫流域DEM(100m分辨率)［5］Fig.1 DEM of Liuxihe reservoir basin(100 pixels)［5］

圖2 流溪河水庫流域土地利用類型分布圖［5］Fig.2 Map of land use in Liuxihe reservoir basin［5］

根據DEM，基于ArcView3.2的WetSpa模型自動提取流域的數字特征:匯流網絡、河網鏈、河網編碼、坡度、水力半徑及子流域的邊界劃分等。累積流閾值取為100，計算出流溪河水庫流域所在區域的河網確定子流域的單元閾值取為1 000，這樣流域被分為35個子流域。計算水力半徑時，選擇設計頻率P=1%相應的參數，第i單元格的平均水力半徑Ri可根據該單元格的上游集水面積Ai由以下公式(3)計算:

圖3 流溪河水庫流域土壤類型分布圖［5］Fig.3 Map of soil type in Liuxihe reservoir basin［5］

采用擴展傅里葉幅度敏感性檢驗法E-FAST(Extend-Fourier Amplitude Sensitivity Test)［8］對WetSpa模型需要通過率定確定的7個全局參數進行敏感性分析。在敏感性分析的基礎上，用人工試錯法，根據流域20場有代表性的實測降雨洪水資料率定全局參數。土壤初始含水量相對蓄水容量的比值Kss，對于設計頻率P=1%的洪水直接取為0.8。基于WetSpa模型計算的流溪河水庫流域設計洪水洪峰和洪量結果見表2。

2.4 結果與分析

表2是3種不同方法計算的設計洪水的洪峰和洪量結果，從表2可看出:推理公式法計算的設計洪峰流量結果比由流量資料推求的結果小27.95%，基于WetSpa模型法推求的設計洪峰流量比由流量資料推求的結果大20.88%;推理公式法計算的最大24 h設計洪水總量比由流量資料推求的結果大10.99%，基于WetSpa模型法推求的最大24 h設計洪水總量比由流量資料推求的結果小8.79%;推理公式法計算的最大3 d設計洪水總量比由流量資料推求的結果小5.48%，基于WetSpa模型法推求的最大3d設計洪水總量比由流量資料推求的結果小0.68%。相對由推理公式法推求設計洪水，基于WetSpa模型法推求的結果更加接近由流量資料推求的結果。從計算結果看，基于WetSpa模型法略優于推理公式法推求設計洪水。

表2 流溪河水庫流域不同方法計算的設計洪水結果Table 2 Computation results of design flood in Liuxihe reservoir basin by different methods

3 結論

分別根據流量資料、廣東省推理公式法、基于WetSpa模型推求水文資料情況比較豐富的流溪河水庫流域的設計洪水洪峰流量、最大24 h設計洪水總量和最大3 d設計洪水總量。對3種方法計算的結果進行比較分析，可知:相對廣東省無資料地區推求設計洪水常用的推理公式法，基于WetSpa模型推求設計洪水洪峰流量和洪水總量的結果與根據長期流量資料計算結果更接近，說明基于WetSpa模型推求設計洪水是可行的。由于利用WetSpa模型推求設計洪水只需要知道流域的DEM、土地利用類型、土壤類型，以及少量的降雨洪水過程用來率定參數就可以了。而流域的DEM、土地利用類型、土壤類型等數據可通過互聯網免費下載獲取，因此WetSpa模型為短缺資料地區推求設計洪水提供了新的參考。

［1］中華人民共和國水利部.水利水電工程設計洪水計算規范［S］.1993.(Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China.Regulation for Calculating Design Flood of Water Resources and Hydropower Projects［S］.1993.(in Chinese))

［2］穆宏強.SCS模型在石橋鋪流域的應用研究［J］.水利學報，1992，(10):79－83，89.(MU Hong-qiang.Application of SCSRunoff Procedure in Shiqiaopu Watershed［J］.Shuili Xuebao，1992，(10):79－83，89.(in Chinese))

［3］黃 卡，張 翔，李 鵬.SWMM模型在城市設計洪水中的應用研究［J］.企業科技與發展:下半月，2008，(5):214－216.(HUANG Ka，ZHANG Xiang，LI Peng.Application of SWMM Model to Urban Flood Design［J］.Enterprise Science and Technology Development:The Second Half of Month，2008，(5):214－216.(in Chinese))

［4］唐莉華，張思聰，高振宇，等.溫榆河上游流域WDHM的應用與分析［J］.北京水利，2005，(6):16－18.(TANG Li-hua，ZHANG Si-cong，GAO Zhen-yu，etal.Application and Analysis of WDHM Model in Upstream of Wenyuhe River［J］.Beijing Water Resources，2005，(6):16－18.(in Chinese))

［5］舒曉娟，陳洋波，徐會軍，等.Wetspa模型在流溪河水庫入庫洪水模擬中的應用［J］.長江科學院院報，2009，26(1):17－20.(SHU Xiao-juan，CHEN Yangbo，XU Hui-jun，etal.Application of Wetspa Model in Simulation of Liuxihe Reservoir Inflow Flood［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，26(1):17－20.(in Chinese))

［6］廣東省水文總站.廣東省暴雨徑流查算圖表［Z］.1991.(Hydrology Station in Guangdong Province.Rainstorm Runoff Searching and Calculating Charts in Guangdong Province［Z］.1991.(in Chinese))

［7］廣東省水文總站.廣東省水文圖集［Z］.1991.(Hydrology Station in Guangdong Province.Hydrological Atlas in Guangdong Province［Z］.1991.(in Chinese))

［8］SALTELLI A，TARANTOLA S，CHAN K PS.A Quantitative Model-Independent Method for Global Sensitivity A-nalysis of Model Output［J］.Technometrics，1999，41(1):39－56.