山东省无资料小流域山洪计算研究

申　睿

(山东大学土建与水利学院，山东 济南　250061)



山东省无资料小流域山洪计算研究

申睿

(山东大学土建与水利学院，山东 济南250061)

以莒县青云庵小流域为研究对象，结合山洪灾害调查资料和河道历史洪痕实测数据，介绍了设计暴雨、净雨、洪水的计算方法，着重研究了各种方法在无资料山丘区小流域设计洪水计算中的应用，并对各方法设计洪水计算成果间和历史洪痕进行了对比，结果表明推理公式法和HEC-HMS模型法相对其他两种方法更为合理。

暴雨，洪水，HEC-HMS模型，历史洪痕

1　研究背景与现状

山洪灾害是由突发性暴雨引发的山区洪水灾害，由于其短历时高强度的特点，使得其难以预报和控制，可能对下游居民人身财产造成巨大的损害。在我国广大山丘区，由于水文资料缺失或是原有水文资料由于地形气候等原因失去了其时效性，使得这些地区成为了无水文资料地区。我国山丘区面积占全国土地面积约2/3，但在这些山洪灾害频发的地区，很多小流域属于无资料小流域，这也使得洪水预报的难度进一步增大。

2011年以来，随着山东省山洪灾害调查项目的开展以及山洪灾害非工程措施的建设，在逐步获得小流域地形地貌和河道资料的同时，新增的水文检测站点可以完善水文站网的布控，为将无资料地区变成有资料地区提供了可能。但是目前阶段，可用的暴雨参数，产汇流计算的方法多来自水文图集，而由于水文图集制作年代久远，目标区域环境、下垫面、气候等条件的变化，导致了传统方法误差的增大，所以需要找到合适的方法来解决目前条件下的无资料小流域的设计洪水计算问题。

针对无资料地区水文预报，国际水文科学协会在2003年启动了一个简称PUB的国际水文计划，旨在大力开展无资料水文预报研究，主要研究方法有三类：1)通过内插和外延将已有测站资料流域的流域响应信息推导无资料流域；2)利用雷达卫星等遥感先进手段获取无资料流域情况；3)建立具有物理机制的水文模型，削弱模型对资料的依赖性[1]。

在此方面，国内学者也进行了很多研究。谈戈等对我国无资料地区水文预报研究成果做了总结，并指出现代水文学无资料地区的水文预报工作应在基于计算机和遥感技术的水文数值模拟方向上寻找出路[2]；邹霞等应用改进的地貌单位线法提高了水文预报的精度[3]；杨菊香应用推理公式法对无资料地区洪水预报进行了研究，并认为推理公式法计算结果趋于合理[4]；张婷应用DEM和新安江模型结合，探讨了资料短缺地区设计洪水的计算方法[5]。本文以无资料地区设计洪水计算的一般方法进行计算，并做方法对比。

2　计算方法介绍

2.1设计暴雨计算

无资料小流域的暴雨参数，可用的方法包括传统的算术平均、泰森多边形、等雨量线、比拟法等方法，在本次研究中，设计暴雨参数及其他转换系数均由当地水文图集[6]查算得到。

2.2设计净雨计算

1)降雨径流相关图法。降雨径流相关图是应用长期的观测数据进行归纳总结之后，绘制而成的降雨径流的关系图。参考文献[6]提供了山东省各区域的降雨径流相关图，只需确定研究目标所在区域及下垫面条件，即可进行径流的查算。

2)SCS模型法。SCS模型由美国水土保持局提出，是目前广泛应用的地表径流模型之一，具有结构简单、所需参数少、对观测数据要求不严格等特点。

SCS模型包括产流模块和汇流模块。SCS模型的建立基于水平衡方程以及两个基本假设,即比例相等假设和初损值——当时可能最大潜在滞留量关系假设。由以上原理和假设，推导出了SCS-CN模型，故只需得到CN值，即可进行产流计算；SCS汇流模块采用一条统一的无因次单位线来计算径流过程。在应用时可以直接使用HEC-HMS中的SCS曲线法和SCS单位线法模块进行计算。

2.3设计洪水计算

1)经验公式法。根据《山东省水文图集》[6]提供的洪峰流量经验公式推求相应的洪峰流量。计算公式为(山丘地区、平原面积小于70%的山丘平原混合区)：

(1)

其中，F为流域面积，km2；Rt为净雨深，mm；Ht为推求洪峰流量的设计流域平均降水量，mm；J为河道比降。

(2)

其中，H24为设计频率的年最大24 h降水量，mm；n2为短历时暴雨指数。

2)推理公式法。根据文献[7]推理公式法基本公式如下：

(3)

(4)

其中,Qm为洪峰流量，m3/s；h为在全面产流时代表相应于τ时段的最大净雨，在部分汇流时代表单一洪峰的净雨，mm；F为流域面积，km2；τ为流域汇流历时，h；m为汇流参数；L为沿主河从出口断面至分水岭的最长距离，km；J为沿流程L的平均比降(以小数计)。

3)瞬时单位线法。瞬时单位线是极小的、瞬时的单位时段净雨所产生的相应出口断面的流量过程线。瞬时单位线的基本假设与一般时段单位线基本相同，不同的仅是它的净雨单位时段是极小的、瞬时的。瞬时单位线的推导理论虽较复杂，但其分析工作较简便，而且分析的成果只有两个参数，便于地区综合，借以根据暴雨推求无资料地区洪水。

瞬时单位线在应用时，是根据两个参数M1和M2，转化成时段单位线，再根据相应时段的设计雨型，即可推求设计洪水流量过程。对于山东省无资料小流域，可以根据文献[6]进行瞬时单位线的查算，计算步骤如下：a.求M1，因山丘地区的M1公式有净雨深等因素，故需根据应用的设计雨型中每天每一次连续净雨过程，各求出一个M1；b.根据M1求时段单位线和洪水流量过程的推求。瞬时单位线在应用时，以净雨开始的时间为原点，分析出瞬时单位线参数M1，以M1查表求出时段单位线，然后由相应时段的净雨深，推求洪水流量过程。

4)HEC-HMS模型法。HEC-HMS(Hydrologic Engineering Center Hydrological Model System)是由美国陆军工程兵团(USCE)的水资源研究中心开发的分布式降雨径流模型。HEC-HMS分布式水文模型主要包含三个模块：流域模块，气象模块和时间控制模块。模型的基本思路是计算各子流域的产流量，通过坡面汇流、河道汇流，并演进至流域出口。在无资料山丘区设计洪水计算中，模型的应用主要考虑各计算模块中计算方法的选取，参数的选取及其率定的难度，在必要的时候将敏感性较小的参数固定，然后率定其他参数。由于小流域地区没有实测的降雨流量资料，所以参数率定的基本思路是利用包含目标小流域的大流域来进行参数的率定，并将率定结果移用到目标小流域。

3　实例应用

3.1流域概况

青云庵小流域位于山东省日照市莒县北部的棋山镇境内，东经118.85°～118.92°，北纬35.82°～35.92°之间，流域面积29.8 km2，属温带大陆性季风气候区，年平均降雨量约800 mm，降雨集中于夏季，暴雨多发，易发生山洪灾害。小流域地形及河道参数由DEM数据提取，小流域形状位置和小流域出口控制断面水位流量关系见图1和图2。

3.2设计洪水计算结果对比分析

前期山洪灾害调查得到了小流域出口的历史洪痕记录，并由历史降雨记录可查得该次历史洪水所对应的降雨场次，其重现期

约为10年一遇，且根据降雨洪水同频的假设，认为这也是该次历史洪水的重现期。各种方法由同频率的计算流量通过图2查得对应河道高程，与历史洪痕的对比见表2。

表1　设计洪水计算成果表

表2　洪痕比较成果

由以上计算结果和洪痕对比结果可知，经验公式法和瞬时单位线法的计算结果明显偏大，考虑到经验公式法由于水文图集提供的公式是基于1975年之前的资料整理所得，且由于下垫面条件、气候的变化以及公式自身存在的误差，认为该方法计算结果不合理；同理，基于1975年水文图集的瞬时单位线法也存在相同的时效性的问题，故认为其计算结果也不合理；而推理公式法和HEC-HMS模型计算结果较为接近，尤其是在降雨较小的情况下，且与历史洪水痕迹的对比，也发现推理公式法和HEC-HMS模型法较为合理，相互印证可知这两种方法的模拟效果更优。

4　结语

本文基于小流域山洪灾害调查成果，应用水文图集中的经验公式法、瞬时单位线法与推理公式法和HEC-HMS模型法对目标小流域进行设计洪水计算，并进行结果和历史洪痕对比。计算成果表明经验公式法和瞬时单位线法计算成果误差偏大，而推理公式法和HEC-HMS模型法的计算成果比较合理。故在山东省无资料小流域中可以使用以上两种方法进行设计洪水计算。

[1]刘苏峡,夏军,莫兴国.无资料流域水文预报(PUB计划)研究进展[J].水利水电技术,2005,36(2):9-12.

[2]谈戈,夏军,李新.无资料地区水文预报研究的方法与出路[J].冰川冻土,2004,26(2):192-196.

[3]邹霞,宋星原,袁迪，等.基于地貌瞬时单位线的缺资料小流域水文预报[J].人民黄河,2015,37(1):11-14.

[4]杨菊香.无实测水文资料地区洪水计算与分析[J].水科学与工程技术,2014(1):33-35.

[5]张婷.基于DEM的资料短缺地区设计洪水推求[J].中国工程科学,2011,13(12):68-73.

[6]山东省水文图集(1975年)[S].

[7]SL 44—2006,水利水电工程设计洪水计算规范[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，在读硕士

TV122

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