山東省無資料小流域山洪計算研究

申　睿

(山東大學土建與水利學院，山東 濟南　250061)

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山東省無資料小流域山洪計算研究

申睿

(山東大學土建與水利學院，山東 濟南250061)

以莒縣青云庵小流域為研究對象，結合山洪災害調查資料和河道歷史洪痕實測數據，介紹了設計暴雨、凈雨、洪水的計算方法，著重研究了各種方法在無資料山丘區小流域設計洪水計算中的應用，并對各方法設計洪水計算成果間和歷史洪痕進行了對比，結果表明推理公式法和HEC-HMS模型法相對其他兩種方法更為合理。

暴雨，洪水，HEC-HMS模型，歷史洪痕

1　研究背景與現狀

山洪災害是由突發性暴雨引發的山區洪水災害，由于其短歷時高強度的特點，使得其難以預報和控制，可能對下游居民人身財產造成巨大的損害。在我國廣大山丘區，由于水文資料缺失或是原有水文資料由于地形氣候等原因失去了其時效性，使得這些地區成為了無水文資料地區。我國山丘區面積占全國土地面積約2/3，但在這些山洪災害頻發的地區，很多小流域屬于無資料小流域，這也使得洪水預報的難度進一步增大。

2011年以來，隨著山東省山洪災害調查項目的開展以及山洪災害非工程措施的建設，在逐步獲得小流域地形地貌和河道資料的同時，新增的水文檢測站點可以完善水文站網的布控，為將無資料地區變成有資料地區提供了可能。但是目前階段，可用的暴雨參數，產匯流計算的方法多來自水文圖集，而由于水文圖集制作年代久遠，目標區域環境、下墊面、氣候等條件的變化，導致了傳統方法誤差的增大，所以需要找到合適的方法來解決目前條件下的無資料小流域的設計洪水計算問題。

針對無資料地區水文預報，國際水文科學協會在2003年啟動了一個簡稱PUB的國際水文計劃，旨在大力開展無資料水文預報研究，主要研究方法有三類：1)通過內插和外延將已有測站資料流域的流域響應信息推導無資料流域；2)利用雷達衛星等遙感先進手段獲取無資料流域情況；3)建立具有物理機制的水文模型，削弱模型對資料的依賴性[1]。

在此方面，國內學者也進行了很多研究。談戈等對我國無資料地區水文預報研究成果做了總結，并指出現代水文學無資料地區的水文預報工作應在基于計算機和遙感技術的水文數值模擬方向上尋找出路[2]；鄒霞等應用改進的地貌單位線法提高了水文預報的精度[3]；楊菊香應用推理公式法對無資料地區洪水預報進行了研究，并認為推理公式法計算結果趨于合理[4]；張婷應用DEM和新安江模型結合，探討了資料短缺地區設計洪水的計算方法[5]。本文以無資料地區設計洪水計算的一般方法進行計算，并做方法對比。

2　計算方法介紹

2.1設計暴雨計算

無資料小流域的暴雨參數，可用的方法包括傳統的算術平均、泰森多邊形、等雨量線、比擬法等方法，在本次研究中，設計暴雨參數及其他轉換系數均由當地水文圖集[6]查算得到。

2.2設計凈雨計算

1)降雨徑流相關圖法。降雨徑流相關圖是應用長期的觀測數據進行歸納總結之后，繪制而成的降雨徑流的關系圖。參考文獻[6]提供了山東省各區域的降雨徑流相關圖，只需確定研究目標所在區域及下墊面條件，即可進行徑流的查算。

2)SCS模型法。SCS模型由美國水土保持局提出，是目前廣泛應用的地表徑流模型之一，具有結構簡單、所需參數少、對觀測數據要求不嚴格等特點。

SCS模型包括產流模塊和匯流模塊。SCS模型的建立基于水平衡方程以及兩個基本假設,即比例相等假設和初損值——當時可能最大潛在滯留量關系假設。由以上原理和假設，推導出了SCS-CN模型，故只需得到CN值，即可進行產流計算；SCS匯流模塊采用一條統一的無因次單位線來計算徑流過程。在應用時可以直接使用HEC-HMS中的SCS曲線法和SCS單位線法模塊進行計算。

2.3設計洪水計算

1)經驗公式法。根據《山東省水文圖集》[6]提供的洪峰流量經驗公式推求相應的洪峰流量。計算公式為(山丘地區、平原面積小于70%的山丘平原混合區)：

(1)

其中，F為流域面積，km2；Rt為凈雨深，mm；Ht為推求洪峰流量的設計流域平均降水量，mm；J為河道比降。

(2)

其中，H24為設計頻率的年最大24 h降水量，mm；n2為短歷時暴雨指數。

2)推理公式法。根據文獻[7]推理公式法基本公式如下：

(3)

(4)

其中,Qm為洪峰流量，m3/s；h為在全面產流時代表相應于τ時段的最大凈雨，在部分匯流時代表單一洪峰的凈雨，mm；F為流域面積，km2；τ為流域匯流歷時，h；m為匯流參數；L為沿主河從出口斷面至分水嶺的最長距離，km；J為沿流程L的平均比降(以小數計)。

3)瞬時單位線法。瞬時單位線是極小的、瞬時的單位時段凈雨所產生的相應出口斷面的流量過程線。瞬時單位線的基本假設與一般時段單位線基本相同，不同的僅是它的凈雨單位時段是極小的、瞬時的。瞬時單位線的推導理論雖較復雜，但其分析工作較簡便，而且分析的成果只有兩個參數，便于地區綜合，借以根據暴雨推求無資料地區洪水。

瞬時單位線在應用時，是根據兩個參數M1和M2，轉化成時段單位線，再根據相應時段的設計雨型，即可推求設計洪水流量過程。對于山東省無資料小流域，可以根據文獻[6]進行瞬時單位線的查算，計算步驟如下：a.求M1，因山丘地區的M1公式有凈雨深等因素，故需根據應用的設計雨型中每天每一次連續凈雨過程，各求出一個M1；b.根據M1求時段單位線和洪水流量過程的推求。瞬時單位線在應用時，以凈雨開始的時間為原點，分析出瞬時單位線參數M1，以M1查表求出時段單位線，然后由相應時段的凈雨深，推求洪水流量過程。

4)HEC-HMS模型法。HEC-HMS(Hydrologic Engineering Center Hydrological Model System)是由美國陸軍工程兵團(USCE)的水資源研究中心開發的分布式降雨徑流模型。HEC-HMS分布式水文模型主要包含三個模塊：流域模塊，氣象模塊和時間控制模塊。模型的基本思路是計算各子流域的產流量，通過坡面匯流、河道匯流，并演進至流域出口。在無資料山丘區設計洪水計算中，模型的應用主要考慮各計算模塊中計算方法的選取，參數的選取及其率定的難度，在必要的時候將敏感性較小的參數固定，然后率定其他參數。由于小流域地區沒有實測的降雨流量資料，所以參數率定的基本思路是利用包含目標小流域的大流域來進行參數的率定，并將率定結果移用到目標小流域。

3　實例應用

3.1流域概況

青云庵小流域位于山東省日照市莒縣北部的棋山鎮境內，東經118.85°～118.92°，北緯35.82°～35.92°之間，流域面積29.8 km2，屬溫帶大陸性季風氣候區，年平均降雨量約800 mm，降雨集中于夏季，暴雨多發，易發生山洪災害。小流域地形及河道參數由DEM數據提取，小流域形狀位置和小流域出口控制斷面水位流量關系見圖1和圖2。

3.2設計洪水計算結果對比分析

前期山洪災害調查得到了小流域出口的歷史洪痕記錄，并由歷史降雨記錄可查得該次歷史洪水所對應的降雨場次，其重現期

約為10年一遇，且根據降雨洪水同頻的假設，認為這也是該次歷史洪水的重現期。各種方法由同頻率的計算流量通過圖2查得對應河道高程，與歷史洪痕的對比見表2。

表1　設計洪水計算成果表

表2　洪痕比較成果

由以上計算結果和洪痕對比結果可知，經驗公式法和瞬時單位線法的計算結果明顯偏大，考慮到經驗公式法由于水文圖集提供的公式是基于1975年之前的資料整理所得，且由于下墊面條件、氣候的變化以及公式自身存在的誤差，認為該方法計算結果不合理；同理，基于1975年水文圖集的瞬時單位線法也存在相同的時效性的問題，故認為其計算結果也不合理；而推理公式法和HEC-HMS模型計算結果較為接近，尤其是在降雨較小的情況下，且與歷史洪水痕跡的對比，也發現推理公式法和HEC-HMS模型法較為合理，相互印證可知這兩種方法的模擬效果更優。

4　結語

本文基于小流域山洪災害調查成果，應用水文圖集中的經驗公式法、瞬時單位線法與推理公式法和HEC-HMS模型法對目標小流域進行設計洪水計算，并進行結果和歷史洪痕對比。計算成果表明經驗公式法和瞬時單位線法計算成果誤差偏大，而推理公式法和HEC-HMS模型法的計算成果比較合理。故在山東省無資料小流域中可以使用以上兩種方法進行設計洪水計算。

[1]劉蘇峽,夏軍,莫興國.無資料流域水文預報(PUB計劃)研究進展[J].水利水電技術,2005,36(2):9-12.

[2]談戈,夏軍,李新.無資料地區水文預報研究的方法與出路[J].冰川凍土,2004,26(2):192-196.

[3]鄒霞,宋星原,袁迪，等.基于地貌瞬時單位線的缺資料小流域水文預報[J].人民黃河,2015,37(1):11-14.

[4]楊菊香.無實測水文資料地區洪水計算與分析[J].水科學與工程技術,2014(1):33-35.

[5]張婷.基于DEM的資料短缺地區設計洪水推求[J].中國工程科學,2011,13(12):68-73.

[6]山東省水文圖集(1975年)[S].

[7]SL 44—2006,水利水電工程設計洪水計算規范[S].

On flood calculation in data-lacking small rivers of Shandong

Shen Rui

(CollegeofCivilEngineeringandWaterConservancy,ShandongUniversity,Jinan250061,China)

Taking Qingyun’an small river of Juxian County as the research object, the paper introduces the calculation methods for designed storms, net rainfalls, and floods by combining with the flood disaster investigation data and documents for channel historical floodmarks, researches the application of various methods in the flood calculation of small rivers in data-lacking hilly regions, compares the flood calculation results and historical fieldmarks with many methods, and proves by the result that the reasoning formula method and HEC-HMS model.

storm, flood, HEC-HMS model, historical floodmark

1009-6825(2016)08-0231-02

2016-01-07

申睿(1991- )，男，在讀碩士

TV122

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