基于WetSpa模型的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

舒曉娟

(廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)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(xiǎn)問題。當(dāng)前，病險(xiǎn)水庫的除險(xiǎn)加固是我國重要并且緊迫的任務(wù)，而設(shè)計(jì)洪水的復(fù)核是水庫安全復(fù)核和除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的依據(jù)。近年來，計(jì)算機(jī)和“3S”技術(shù)的發(fā)展為分布式水文模型的發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐，使分布式水文模型成為水文科學(xué)的研究熱點(diǎn)。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(jù)長(zhǎng)期的流量資料、廣東省短缺資料地區(qū)推求設(shè)計(jì)洪水常用的推理公式法、基于WetSpa分布式水文模型推求設(shè)計(jì)洪水。對(duì)3種方法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，探討基于WetSpa分布式水文模型推求設(shè)計(jì)洪水的可行性，以期為短缺資料地區(qū)推求設(shè)計(jì)洪水提供新的參考。

1 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法

1.1 常用設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法

根據(jù)水文資料條件的不同，《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》［1］規(guī)定:設(shè)計(jì)洪水常采用以下方法進(jìn)行計(jì)算。

(1)由流量資料推求設(shè)計(jì)洪水。這是推求設(shè)計(jì)洪水最直接的方法，但需要計(jì)算流域有足夠長(zhǎng)的實(shí)測(cè)和調(diào)查的洪水流量資料，通過頻率分析的方法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。

(2)由暴雨資料計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。這是通過暴雨資料間接推求設(shè)計(jì)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?？上雀鶕?jù)暴雨資料用頻率分析法推求設(shè)計(jì)暴雨，然后根據(jù)產(chǎn)匯流方案推求設(shè)計(jì)洪水。

(3)缺乏資料情況設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。當(dāng)流域內(nèi)洪水流量資料和暴雨資料都短缺時(shí)，可利用鄰近地區(qū)暴雨和洪水資料采用推理公式或經(jīng)驗(yàn)單位線計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，所以該方法地區(qū)性較強(qiáng)。

1.2 基于水文模型的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法

基于水文模型計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，隨著水文模型的不斷發(fā)展。早期應(yīng)用概念性水文模型，穆宏強(qiáng)等［2］應(yīng)用改進(jìn)的美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局提出的SCS模型(Soil Conservation Service)，計(jì)算石橋鋪流域50年一遇設(shè)計(jì)洪水。與湖北省小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的推理公式法相比，其計(jì)算結(jié)果與相同頻率的實(shí)測(cè)成果更接近。黃卡等［3］將美國環(huán)保局研制的SWMM(Storm Water Management Model)城市雨洪管理模型應(yīng)用到廣州新機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算中，認(rèn)為該方法是城市防洪設(shè)計(jì)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(xué)研究熱點(diǎn)，也有學(xué)者將分布式水文模型應(yīng)用于設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算中。唐莉華等［4］應(yīng)用北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院和清華大學(xué)共同研究構(gòu)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(jié)果與北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院根據(jù)推理公式、半山區(qū)半平原疏浚河道法、等流時(shí)線等方法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較。WDHM模型計(jì)算結(jié)果與其他方法計(jì)算結(jié)果基本吻合，不同計(jì)算方法得到了相互驗(yàn)證。

1.3 基于WetSpa模型設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法

WetSpa模型是一個(gè)基于GIS技術(shù)的分布式水文模型，模型簡(jiǎn)介見文獻(xiàn)［5］。如果研究流域具有30a以上實(shí)測(cè)和插補(bǔ)延長(zhǎng)暴雨資料，基于WetSpa模型推求設(shè)計(jì)洪水，可根據(jù)暴雨資料用頻率分析法先計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨，然后利用WetSpa模型推求相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水。WetSpa模型不僅可以進(jìn)行次洪水模擬，也可以進(jìn)行連續(xù)洪水模擬。所以也可以直接將長(zhǎng)期的暴雨資料輸入WetSpa模型，經(jīng)過模型連續(xù)模擬計(jì)算，得到相應(yīng)長(zhǎng)期的徑流過程，再根據(jù)模擬的徑流過程用頻率分析法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。如果研究流域缺乏長(zhǎng)期暴雨資料，可根據(jù)各地區(qū)水文圖集查算圖表，查出相應(yīng)歷時(shí)的暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)推求設(shè)計(jì)暴雨，再利用WetSpa模型推求相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水。基于WetSpa模型，根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨推求設(shè)計(jì)洪水，對(duì)于不同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)洪水，水力半徑由與洪水累積頻率相關(guān)的冪函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算。原關(guān)系式中的參數(shù)主要根據(jù)歐洲的具體情況確定，不一定適用于我國，筆者根據(jù)廣東省的實(shí)際情況進(jìn)行了調(diào)整。

2 流溪河水庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

流溪河水庫流域最近的一次設(shè)計(jì)洪水復(fù)核是利用流量資料用頻率分析法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。這是當(dāng)流量資料充分時(shí)，推求設(shè)計(jì)洪水最常用的方法。將基于WetSpa模型推求設(shè)計(jì)洪水的結(jié)果與根據(jù)流量資料計(jì)算的結(jié)果相比較，可檢驗(yàn)基于WetSpa模型推求設(shè)計(jì)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(qū)推求設(shè)計(jì)洪水的可行性，將模型計(jì)算結(jié)果與用廣東省無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算常用的《廣東省暴雨徑流查算圖表》［6］中的推理公式法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了比較與分析。

2.1 由流量資料計(jì)算設(shè)計(jì)洪水

1999年水利部珠江水利委員會(huì)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院和廣東省流溪河水電站對(duì)流溪河水庫設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行復(fù)核。設(shè)計(jì)洪水洪峰流量根據(jù)洪峰流量資料用頻率計(jì)算法推求。計(jì)算采用1959—1998年實(shí)測(cè)洪水年最大洪峰流量資料和調(diào)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(xiàng)的重現(xiàn)期N=1998－1881+1=118 a。計(jì)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(shè)計(jì)洪水的標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇，對(duì)應(yīng)該標(biāo)準(zhǔn)洪水的洪峰流量計(jì)算結(jié)果為2 830m3/s。采用1959—1998年實(shí)測(cè)洪水的年最大24 h洪水總量資料，通過適線法進(jìn)行頻率計(jì)算。根據(jù)該頻率曲線得到的最大24 h設(shè)計(jì)洪水總量計(jì)算結(jié)果見表2。最大3 d設(shè)計(jì)洪水總量計(jì)算，采用1959—1998年實(shí)測(cè)洪水的年最大3 d洪水總量資料，通過適線法進(jìn)行頻率計(jì)算。根據(jù)該頻率曲線得到的最大3 d設(shè)計(jì)洪水總量計(jì)算結(jié)果為1.46億m3。

2.2 廣東省推理公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水

廣東省無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)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(zhǎng)期以來，推理公式法用得比較多，所以采用推理公式法計(jì)算流溪河水庫設(shè)計(jì)洪水。計(jì)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(qū)

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(zhǎng)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(jìn)行分區(qū)，根據(jù)研究流域的分區(qū)情況可查算相應(yīng)的設(shè)計(jì)暴雨定點(diǎn)定面關(guān)系、設(shè)計(jì)雨型、產(chǎn)流參數(shù)和與匯流有關(guān)參數(shù)的關(guān)系線和圖表。

2.2.2 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

根據(jù)《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(diǎn)暴雨均值 ˉHt、變差系數(shù)CV等值線圖，得到研究流域相應(yīng)歷時(shí)的特征值。取偏態(tài)系數(shù)CS=3.5CV，計(jì)算出設(shè)計(jì)頻率點(diǎn)暴雨量。點(diǎn)面換算系數(shù)乘以相應(yīng)歷時(shí)的設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量，即可求得相應(yīng)歷時(shí)的設(shè)計(jì)面雨量Htp面，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 流溪河水庫流域設(shè)計(jì)暴雨量計(jì)算表Table 1 Computation results of design storm in Liuxihe reservoir basin

2.2.3 設(shè)計(jì)洪峰流量推求

根據(jù)《廣東省暴雨徑流查算圖表》［6］廣東省分區(qū)產(chǎn)流參數(shù)表，流溪河水庫流域?qū)賰?nèi)陸分區(qū)，可查得產(chǎn)流參數(shù)。根據(jù)工程集水區(qū)域特征參數(shù)315.7，查匯流參數(shù)m-θ關(guān)系圖，得到匯流參數(shù)m。根據(jù)推理公式(1)和(2)，求得設(shè)計(jì)洪峰流量Qm=2 039 m3/s。

式中:τ是流域的匯流歷時(shí);hτ是最大τ時(shí)段的凈雨。

2.2.4 設(shè)計(jì)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(qū)最大24 h及最大3 d設(shè)計(jì)雨型(暴雨時(shí)程t分配)表，查得珠江三角洲設(shè)計(jì)雨型。再根據(jù)表1計(jì)算的最大6 h，24 h及最大3 d設(shè)計(jì)暴雨量和產(chǎn)流參數(shù)，可得到最大24 h及最大3 d的設(shè)計(jì)凈雨過程。根據(jù)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(shè)計(jì)洪水過程，相應(yīng)的最大24 h及3 d的設(shè)計(jì)洪水總量見表2。

2.3 基于WetSpa模型計(jì)算設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)《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(shè)計(jì)暴雨過程，蒸發(fā)數(shù)據(jù)也可根據(jù)《廣東省水文圖集》［7］得到，將降雨過程和蒸發(fā)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，WetSpa模型可自動(dòng)得到相應(yīng)的產(chǎn)匯流計(jì)算所需要的空間分布參數(shù)。

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(jù)DEM，基于ArcView3.2的WetSpa模型自動(dòng)提取流域的數(shù)字特征:匯流網(wǎng)絡(luò)、河網(wǎng)鏈、河網(wǎng)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(jì)算出流溪河水庫流域所在區(qū)域的河網(wǎng)確定子流域的單元閾值取為1 000，這樣流域被分為35個(gè)子流域。計(jì)算水力半徑時(shí)，選擇設(shè)計(jì)頻率P=1%相應(yīng)的參數(shù)，第i單元格的平均水力半徑Ri可根據(jù)該單元格的上游集水面積Ai由以下公式(3)計(jì)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(kuò)展傅里葉幅度敏感性檢驗(yàn)法E-FAST(Extend-Fourier Amplitude Sensitivity Test)［8］對(duì)WetSpa模型需要通過率定確定的7個(gè)全局參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。在敏感性分析的基礎(chǔ)上，用人工試錯(cuò)法，根據(jù)流域20場(chǎng)有代表性的實(shí)測(cè)降雨洪水資料率定全局參數(shù)。土壤初始含水量相對(duì)蓄水容量的比值Kss，對(duì)于設(shè)計(jì)頻率P=1%的洪水直接取為0.8。基于WetSpa模型計(jì)算的流溪河水庫流域設(shè)計(jì)洪水洪峰和洪量結(jié)果見表2。

2.4 結(jié)果與分析

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

表2 流溪河水庫流域不同方法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水結(jié)果Table 2 Computation results of design flood in Liuxihe reservoir basin by different methods

3 結(jié)論

分別根據(jù)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(shè)計(jì)洪水洪峰流量、最大24 h設(shè)計(jì)洪水總量和最大3 d設(shè)計(jì)洪水總量。對(duì)3種方法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較分析，可知:相對(duì)廣東省無資料地區(qū)推求設(shè)計(jì)洪水常用的推理公式法，基于WetSpa模型推求設(shè)計(jì)洪水洪峰流量和洪水總量的結(jié)果與根據(jù)長(zhǎng)期流量資料計(jì)算結(jié)果更接近，說明基于WetSpa模型推求設(shè)計(jì)洪水是可行的。由于利用WetSpa模型推求設(shè)計(jì)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(shù)就可以了。而流域的DEM、土地利用類型、土壤類型等數(shù)據(jù)可通過互聯(lián)網(wǎng)免費(fèi)下載獲取，因此WetSpa模型為短缺資料地區(qū)推求設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)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(qiáng).SCS模型在石橋鋪流域的應(yīng)用研究［J］.水利學(xué)報(bào)，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(shè)計(jì)洪水中的應(yīng)用研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)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(yīng)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))

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［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))

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