申　睿

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南　250061)

?

山東省無(wú)資料小流域山洪計(jì)算研究

申睿

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南250061)

以莒縣青云庵小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，結(jié)合山洪災(zāi)害調(diào)查資料和河道歷史洪痕實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，介紹了設(shè)計(jì)暴雨、凈雨、洪水的計(jì)算方法，著重研究了各種方法在無(wú)資料山丘區(qū)小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中的應(yīng)用，并對(duì)各方法設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果間和歷史洪痕進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明推理公式法和HEC-HMS模型法相對(duì)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(xiàn)狀

山洪災(zāi)害是由突發(fā)性暴雨引發(fā)的山區(qū)洪水災(zāi)害，由于其短歷時(shí)高強(qiáng)度的特點(diǎn)，使得其難以預(yù)報(bào)和控制，可能對(duì)下游居民人身財(cái)產(chǎn)造成巨大的損害。在我國(guó)廣大山丘區(qū)，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(shí)效性，使得這些地區(qū)成為了無(wú)水文資料地區(qū)。我國(guó)山丘區(qū)面積占全國(guó)土地面積約2/3，但在這些山洪災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，很多小流域?qū)儆跓o(wú)資料小流域，這也使得洪水預(yù)報(bào)的難度進(jìn)一步增大。

2011年以來(lái)，隨著山東省山洪災(zāi)害調(diào)查項(xiàng)目的開(kāi)展以及山洪災(zāi)害非工程措施的建設(shè)，在逐步獲得小流域地形地貌和河道資料的同時(shí)，新增的水文檢測(cè)站點(diǎn)可以完善水文站網(wǎng)的布控，為將無(wú)資料地區(qū)變成有資料地區(qū)提供了可能。但是目前階段，可用的暴雨參數(shù)，產(chǎn)匯流計(jì)算的方法多來(lái)自水文圖集，而由于水文圖集制作年代久遠(yuǎn)，目標(biāo)區(qū)域環(huán)境、下墊面、氣候等條件的變化，導(dǎo)致了傳統(tǒng)方法誤差的增大，所以需要找到合適的方法來(lái)解決目前條件下的無(wú)資料小流域的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算問(wèn)題。

針對(duì)無(wú)資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)，國(guó)際水文科學(xué)協(xié)會(huì)在2003年啟動(dòng)了一個(gè)簡(jiǎn)稱PUB的國(guó)際水文計(jì)劃，旨在大力開(kāi)展無(wú)資料水文預(yù)報(bào)研究，主要研究方法有三類：1)通過(guò)內(nèi)插和外延將已有測(cè)站資料流域的流域響應(yīng)信息推導(dǎo)無(wú)資料流域；2)利用雷達(dá)衛(wèi)星等遙感先進(jìn)手段獲取無(wú)資料流域情況；3)建立具有物理機(jī)制的水文模型，削弱模型對(duì)資料的依賴性[1]。

在此方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了很多研究。談戈等對(duì)我國(guó)無(wú)資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)研究成果做了總結(jié)，并指出現(xiàn)代水文學(xué)無(wú)資料地區(qū)的水文預(yù)報(bào)工作應(yīng)在基于計(jì)算機(jī)和遙感技術(shù)的水文數(shù)值模擬方向上尋找出路[2]；鄒霞等應(yīng)用改進(jìn)的地貌單位線法提高了水文預(yù)報(bào)的精度[3]；楊菊香應(yīng)用推理公式法對(duì)無(wú)資料地區(qū)洪水預(yù)報(bào)進(jìn)行了研究，并認(rèn)為推理公式法計(jì)算結(jié)果趨于合理[4]；張婷應(yīng)用DEM和新安江模型結(jié)合，探討了資料短缺地區(qū)設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算方法[5]。本文以無(wú)資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的一般方法進(jìn)行計(jì)算，并做方法對(duì)比。

2　計(jì)算方法介紹

2.1設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

無(wú)資料小流域的暴雨參數(shù)，可用的方法包括傳統(tǒng)的算術(shù)平均、泰森多邊形、等雨量線、比擬法等方法，在本次研究中，設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)及其他轉(zhuǎn)換系數(shù)均由當(dāng)?shù)厮膱D集[6]查算得到。

2.2設(shè)計(jì)凈雨計(jì)算

1)降雨徑流相關(guān)圖法。降雨徑流相關(guān)圖是應(yīng)用長(zhǎng)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)之后，繪制而成的降雨徑流的關(guān)系圖。參考文獻(xiàn)[6]提供了山東省各區(qū)域的降雨徑流相關(guān)圖，只需確定研究目標(biāo)所在區(qū)域及下墊面條件，即可進(jìn)行徑流的查算。

2)SCS模型法。SCS模型由美國(guó)水土保持局提出，是目前廣泛應(yīng)用的地表徑流模型之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所需參數(shù)少、對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)要求不嚴(yán)格等特點(diǎn)。

SCS模型包括產(chǎn)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(gè)基本假設(shè),即比例相等假設(shè)和初損值——當(dāng)時(shí)可能最大潛在滯留量關(guān)系假設(shè)。由以上原理和假設(shè)，推導(dǎo)出了SCS-CN模型，故只需得到CN值，即可進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算；SCS匯流模塊采用一條統(tǒng)一的無(wú)因次單位線來(lái)計(jì)算徑流過(guò)程。在應(yīng)用時(shí)可以直接使用HEC-HMS中的SCS曲線法和SCS單位線法模塊進(jìn)行計(jì)算。

2.3設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

1)經(jīng)驗(yàn)公式法。根據(jù)《山東省水文圖集》[6]提供的洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式推求相應(yīng)的洪峰流量。計(jì)算公式為(山丘地區(qū)、平原面積小于70%的山丘平原混合區(qū))：

(1)

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

(2)

其中，H24為設(shè)計(jì)頻率的年最大24 h降水量，mm；n2為短歷時(shí)暴雨指數(shù)。

2)推理公式法。根據(jù)文獻(xiàn)[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(chǎn)流時(shí)代表相應(yīng)于τ時(shí)段的最大凈雨，在部分匯流時(shí)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(shí)，h；m為匯流參數(shù)；L為沿主河從出口斷面至分水嶺的最長(zhǎng)距離，km；J為沿流程L的平均比降(以小數(shù)計(jì))。

3)瞬時(shí)單位線法。瞬時(shí)單位線是極小的、瞬時(shí)的單位時(shí)段凈雨所產(chǎn)生的相應(yīng)出口斷面的流量過(guò)程線。瞬時(shí)單位線的基本假設(shè)與一般時(shí)段單位線基本相同，不同的僅是它的凈雨單位時(shí)段是極小的、瞬時(shí)的。瞬時(shí)單位線的推導(dǎo)理論雖較復(fù)雜，但其分析工作較簡(jiǎn)便，而且分析的成果只有兩個(gè)參數(shù)，便于地區(qū)綜合，借以根據(jù)暴雨推求無(wú)資料地區(qū)洪水。

瞬時(shí)單位線在應(yīng)用時(shí)，是根據(jù)兩個(gè)參數(shù)M1和M2，轉(zhuǎn)化成時(shí)段單位線，再根據(jù)相應(yīng)時(shí)段的設(shè)計(jì)雨型，即可推求設(shè)計(jì)洪水流量過(guò)程。對(duì)于山東省無(wú)資料小流域，可以根據(jù)文獻(xiàn)[6]進(jìn)行瞬時(shí)單位線的查算，計(jì)算步驟如下：a.求M1，因山丘地區(qū)的M1公式有凈雨深等因素，故需根據(jù)應(yīng)用的設(shè)計(jì)雨型中每天每一次連續(xù)凈雨過(guò)程，各求出一個(gè)M1；b.根據(jù)M1求時(shí)段單位線和洪水流量過(guò)程的推求。瞬時(shí)單位線在應(yīng)用時(shí)，以凈雨開(kāi)始的時(shí)間為原點(diǎn)，分析出瞬時(shí)單位線參數(shù)M1，以M1查表求出時(shí)段單位線，然后由相應(yīng)時(shí)段的凈雨深，推求洪水流量過(guò)程。

4)HEC-HMS模型法。HEC-HMS(Hydrologic Engineering Center Hydrological Model System)是由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)(USCE)的水資源研究中心開(kāi)發(fā)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(gè)模塊：流域模塊，氣象模塊和時(shí)間控制模塊。模型的基本思路是計(jì)算各子流域的產(chǎn)流量，通過(guò)坡面匯流、河道匯流，并演進(jìn)至流域出口。在無(wú)資料山丘區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中，模型的應(yīng)用主要考慮各計(jì)算模塊中計(jì)算方法的選取，參數(shù)的選取及其率定的難度，在必要的時(shí)候?qū)⒚舾行暂^小的參數(shù)固定，然后率定其他參數(shù)。由于小流域地區(qū)沒(méi)有實(shí)測(cè)的降雨流量資料，所以參數(shù)率定的基本思路是利用包含目標(biāo)小流域的大流域來(lái)進(jìn)行參數(shù)的率定，并將率定結(jié)果移用到目標(biāo)小流域。

3　實(shí)例應(yīng)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(zhèn)境內(nèi)，東經(jīng)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(fēng)氣候區(qū)，年平均降雨量約800 mm，降雨集中于夏季，暴雨多發(fā)，易發(fā)生山洪災(zāi)害。小流域地形及河道參數(shù)由DEM數(shù)據(jù)提取，小流域形狀位置和小流域出口控制斷面水位流量關(guān)系見(jiàn)圖1和圖2。

3.2設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

前期山洪災(zāi)害調(diào)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(duì)應(yīng)的降雨場(chǎng)次，其重現(xiàn)期

約為10年一遇，且根據(jù)降雨洪水同頻的假設(shè)，認(rèn)為這也是該次歷史洪水的重現(xiàn)期。各種方法由同頻率的計(jì)算流量通過(guò)圖2查得對(duì)應(yīng)河道高程，與歷史洪痕的對(duì)比見(jiàn)表2。

表1　設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表

表2　洪痕比較成果

由以上計(jì)算結(jié)果和洪痕對(duì)比結(jié)果可知，經(jīng)驗(yàn)公式法和瞬時(shí)單位線法的計(jì)算結(jié)果明顯偏大，考慮到經(jīng)驗(yàn)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(rèn)為該方法計(jì)算結(jié)果不合理；同理，基于1975年水文圖集的瞬時(shí)單位線法也存在相同的時(shí)效性的問(wèn)題，故認(rèn)為其計(jì)算結(jié)果也不合理；而推理公式法和HEC-HMS模型計(jì)算結(jié)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(duì)比，也發(fā)現(xiàn)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(yōu)。

4　結(jié)語(yǔ)

本文基于小流域山洪災(zāi)害調(diào)查成果，應(yīng)用水文圖集中的經(jīng)驗(yàn)公式法、瞬時(shí)單位線法與推理公式法和HEC-HMS模型法對(duì)目標(biāo)小流域進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，并進(jìn)行結(jié)果和歷史洪痕對(duì)比。計(jì)算成果表明經(jīng)驗(yàn)公式法和瞬時(shí)單位線法計(jì)算成果誤差偏大，而推理公式法和HEC-HMS模型法的計(jì)算成果比較合理。故在山東省無(wú)資料小流域中可以使用以上兩種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。

[1]劉蘇峽,夏軍,莫興國(guó).無(wú)資料流域水文預(yù)報(bào)(PUB計(jì)劃)研究進(jìn)展[J].水利水電技術(shù),2005,36(2):9-12.

[2]談戈,夏軍,李新.無(wú)資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)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(shí)單位線的缺資料小流域水文預(yù)報(bào)[J].人民黃河,2015,37(1):11-14.

[4]楊菊香.無(wú)實(shí)測(cè)水文資料地區(qū)洪水計(jì)算與分析[J].水科學(xué)與工程技術(shù),2014(1):33-35.

[5]張婷.基于DEM的資料短缺地區(qū)設(shè)計(jì)洪水推求[J].中國(guó)工程科學(xué),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(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)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

A