無資料地區設計洪水計算成果合理性探析

劉惠敏，胡昊

無資料地區設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.廣東珠榮工程設計有限公司，廣東 廣州 510610）

設計洪水是無資料地區推算洪水水位、洪水水量等參數的基礎，其一般采用正常經驗公式的方法，結合高精度的計算模型（例如DEM分布式模型），對洪水水位等參數的計算結果進行精確對比分析，并結合設計流域、相似流域進行成果綜合性對比分析，對其合理性進行研究。以某地區河流流域為研究對象，根據水系特點、當地降水量等特征，針對洪水的特性采用流域內比擬法設計洪水，最后對計算結果的合理性進行了探析，供相關專業技術人員參考。

無資料地區；設計洪水；計算成果；合理性

水文現象具有顯著的地區特性，不同地區的水位特性差異化明顯，如果在相似地理環境下，某幾個的水域環境會發生相同規律的變化與發展，具有動態的協調性特征。

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

1 地理概況描述

某流域為二級支流，發源于秦嶺主脊，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，山高路窄，流域面積達到101.2 km2，平均的地勢坡度達到了0.28°，且河網流域的密度達到2.3 km2。此流域內含有水庫一座，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，發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 流域比擬法設計洪水

針對某地區不同頻率的設計洪水，對水文站資料進行分析，推求對應的設計斷面處設計洪水量，設計的公式如表1所示。

表1 CV、CS/CV及洪峰流量數據對比

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

設計斷面處的設計洪水數值的推算公式如下：

=參×參（1）

式（1）中：為設計站的洪峰的流量值；參為參證站的洪峰流量值；為設計站的控制集水面積，由實際的調研結果顯示，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到620 km2；為對應的面積指數，取值一般設置為0.67。

將以上設計值代入到對應的流域比擬法計算應用公式中，根據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%）的標準為對應的洪水設計洪峰流量的防洪為=634 m3/s；而30年一遇的測洪（=3.33%）的標準為對應設計洪峰流量的測洪值為=499 m3/s，20年一遇的測洪的標準為對應設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，是根據勘察的結果進行有效設定的，根據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。根據水質勘察的結果顯示，某水域的水文站住址處主要涉及到的是細沙砂，且河底中有眾多的水生植物等，糙率按照相應規范的要求，一般為0.03。

根據實際測得的水域流域的設計洪水及水位的數值，繪制對應面積的關系曲線，從而根據同水位級別的水位流量，繪制對應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，計算的最終結果如表2所示。

表2 某水位站設計流量及設計水位計算成果數據表

防洪標準（50年一遇）防洪標準（30年一遇） 設計流量/（m3/s）634499 設計水位/m99.1098.80

3 設計洪水計算成果合理性分析

3.1 應用多種方法開展成果對比分析

利用經驗公式進行無資料地區綜合區域的洪水水位及水量的計算與設計，結合當地的綜合洪水資料，建立有一定依據性的關系方程式，可以收獲較少的參數，并能夠簡化整個計算過程，便于獲取有效的計算結果。

從實際推理的關系式上看，可以充分結合等流時線的理論概念，將線性的匯流結果及理論進行分析，并從經驗公式中進行合理化推算，利用明確的物理概念，在理論應用上可以得到更為嚴謹的結果。

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

綜上可知，對于不同的計算方法的運用可以利用對應地區的經驗公式進行計算，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果顯著性差異不大，因此可以結合安全管理的角度，實現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水位數值提供相應參考，并對其合理性進一步進行研究。

3.2 與已有的設計成果資料進行有效的對比分析

通過計算，對設計的洪水結果進行有效對比，其中設計的流域利用推理公式法、經驗公式法和水文比擬法，得到成果與已有的成果差距不大。通過地區經驗公式法可以得到對應水位的值為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計過程中，應注意對關系方程式的選擇，一般可以按照實際洪水水位的大小，設計相應的成果資料，并結合實際的水流面積進行相應的計算和分析。

3.3 與相似的相鄰領域之間的對比分析

與相近的流域進行對比分析，可以得出相鄰流域的洪水水位及流量的對比分析值，此水域內的水文監測站中，通過分析相應水文站的建站類型，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，其具有不同的重現期，其中洪水量在260 m3/s時，出現過的洪水次數為1次；洪水量在216 m3/s時，出現過的洪水次數為2次；洪水量在160 m3/s時，出現過的洪水次數為5次；洪水量在114 m3/s時，出現過的洪水次數為10次。從統計的結果上進行預估，此流域內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，不斷研究和創新新的研究方法，對比國內外此領域研究應用的現有方法，對SWAT、TOPMODEL等方法進行分析，對比各項計算方法和方式，結合工程實踐的內容，對計算的結果進行對比，合理確定最終的計算結果。

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

4 結束語

對于無資料地區的設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，進行綜合分析，突出重點，合理運用理念進行對比分析，這樣才有利于利用綜合性的分析，使計算的結果和設計結果能夠更加貼近合理值范圍。此外，從數據分析的理論上看，水文參數的測算一般應遵循“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的測量與設計的過程中，應保持多種設計方法并用，最終結合相互促進、相互滲透、相互輔助的方式，對多種計算和設計得到的結果進行對比分析、綜合性比較以后，可以客觀地評價選定結果的準確性。建立對于無資料區域的水域設計水量的計算新理念、新思想，并應用創新性的新模式構建基于傳統手段向數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計，應首先依據傳統的設計和計算方式，結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，并結合無資料地區的水文計算方式的創新，開辟更高水平的水文計算途徑。

［1］王克平，許清香，馮民權.無資料地區小流域設計洪水計算方法研究［J］.電網與清潔能源，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設計洪水計算［J］.中國農村水利水電， 2014（4）：65-68.

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

［4］劉玉生，朱海濱，朱丹.調查洪水在無資料地區設計洪水計算中的應用［J］.黑龍江水利科技，2013，41（7）：41-43.

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

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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，畢業于華北水利水電大學，助理工程師，主要研究方向為水文預報。

〔編輯：嚴麗琴〕