缺乏資料的小型流域洪水計算方法分析

梁海宏，黃一帆，李文輝

（寶雞市渭河攔河閘工程管理處，陜西 寶雞 721000）

在河流的洪水計算中，通常因資料的缺乏而無法對河道洪水進行較為準確的推求，進而在實際運用中通常借助相似流域資料對研究流域進行比擬或經驗推求洪水[1]，但由于推求方法的不同導致計算結果也相應出現差異性。本文主要選取伐魚河作為本次討論的典型流域，通過面積比擬法、經驗公式法、暴雨推求洪水法及神經網絡四種不同的方法對其天然流域進行計算，結合計算過程中不同的依據，綜合性的對比分析伐魚河洪水計算中四種不同方法的適用性和準確性。

1 洪水計算

1.1 概況

伐魚河，也稱磻溪河，古稱磻溪，屬黃河支流渭河南岸（右岸）支流，即傳說姜太公垂釣之的河流。流域面積155.1 km2，總長26.3 km，平均比降3.16‰，年徑流量為8050萬m3。流域內主要為花崗巖區，海拔高程為594～2400 m。河谷切割較深岸坡約為 50°～60°。

1.2 洪水計算

（1）面積比擬法

伐魚河缺乏水文資料，本次選取益門水文站1956～2009年54年實測洪水資料，用矩陣計算參數作為初始值[2]，采用P-Ⅲ型曲線目估適線，在適線時著重考慮曲線中、上部的較大洪水，適當考慮下端較小的洪水點據，統計參考及不同頻率洪峰流量及洪水總量見表1。

表1 益門鎮水文站設計洪水計算成果表單位：m3/s；萬 m3

利用公式：

用面積比擬法計算的伐魚河洪水結果見表2。

表2 經驗公式法洪水計算結果表 單位：m3/s

（2）經驗公式法

利用公式：

用經驗公式法計算的伐魚河洪水結果見表3。

表3 經驗公式法洪水計算結果表 單位：m3/s

（3）暴雨資料推求設計洪水

本方法主要根據《寶雞市水文使用手冊》及流域的水文特征值計算流域不同歷時的設計面雨量及其分配過程，并用下滲曲線扣損后求得凈雨過程，然后按推理公式法計算匯流，并推求出伐魚河洪峰流量。

首先在《手冊》中提供的不同歷時點暴雨量等值線圖及變差系數CV等值線圖可分別查到伐魚河重心處1 h、3 h、6 h和24 h暴雨量及其CV值，并按CS=3.5CV及P-Ⅲ型曲線提供的Kp值求得不同頻率下的點暴雨量，再利用第二步利用點面系數計算公式：

結合秦嶺北麓、西部山區設計暴雨分區點面系數αt、指數βt，計算得到的流域不同頻率不同歷時的面暴雨量，見表4。

表4 流域不同頻率面暴雨量計算成果表 單位：mm

第三步對設計面暴雨量進行時程分配后進行產匯流計算，最終得到 Qm～t與 Qτ～τ關系曲線圖，見圖 1，其交點即為所求。

圖 1 Qm～t與 Qτ～τ 關系曲線圖

用暴雨資料推求設計洪水法計算的伐魚河洪水結果見表5。

表5 洪峰流量圖解法計算結果表 單位：m3/s

（4） 神經網絡建模

神經網絡模擬在學術中運用較廣，因此本次選用神經網絡模擬模型進行簡單對比分析。以伐魚河釣魚臺水庫出險加固計算資料為基礎，分別選取100年、50年、30年和20年洪水作為響應變量，不同頻率下降雨量x1，蒸發量x2及水庫下泄水量x3作為自變量，將不同頻率降雨量、蒸發量及水庫下泄水量作為輸入因子，釣魚臺水庫除險加固計算成果中30年洪水作為輸出因子，建立模型，通過訓練得到Qh2＜0.0975即可，最終利用模型預測其與頻率洪水。具體30年頻率下各因素相關系數表和最終訓練成果表。

表6 相關系數表

表7 神經網絡法計算結果表 單位：m3/s

2 方法對比分析

通過用三種不同的方法對伐魚河洪水的計算，結果見圖2。

圖2 不同方法污水計算結果

（1）本次主要針對流域水文資料缺乏時進行的對比計算，且洪水計算結果僅考慮天然河道下的洪水結果。

（2）面積比擬法主要借助水文資料齊全的相似流域進行比擬計算，且要求控制面積之差不能大于20%，對于小流域適應性較差，同時此類方法局限性較大，且在流域相似性等方面難以準確估量，因此本方法利用率較低。

（3）本次計算結果中相對經驗公式法，暴雨推求法計算的洪水在偏大17.8%～27.1%之間，相對推理公式法偏大0.82%～17.4%之間，從安全角度分析，暴雨推求法更具適應性，但依據近些年河道實際調查，多年河道徑流深無法達到本次計算結果，因此在工程設計中考慮到安全角度更適合。

（4）經驗公式法計算結果介于本次三種方法之間，從折線圖看，結果更優，但局限性較大。

（5）暴雨推求法相對經驗公式法，洪水計算結果在低于百年一遇時偏差較大，而相對推理公式法計算結果同樣在低于百年一遇標準時偏差增大，原因和計算原始數據來源可靠性相關，導致模擬序列延展性出現不同趨勢。

（6）神經網絡模擬法看似結果與基礎資料相符度較高，但此方法學術性研究利用率較高，在現實設計中，很多影響因子資料難以獲取。

（7）經驗公式法主要依賴于當地實際情況及研究工作者的常年經驗積累而得到的經驗參數計算洪水，本次計算結果中本方法計算值最低，雖然在操作方面較為簡單，但潛在存在的風險及經驗資料難以得到[3]，隨著流域上水利工程的建設，下墊面和氣象等水文條件也在不斷被改變，因此本方法不僅需要不斷更新，而且實用性較差，局限性明顯較高。

（8）暴雨資料推求設計洪水法主要需要的基礎資料為流域各時段暴雨資料[4]，本方法計算結果較其它方法偏高，在安全角度較為可靠，同時流域洪水主要來源于暴雨，其無論在推理計算還是在理論上都較為嚴密[5]，因此本次對比結果中，此方法較為可靠。

3 結語

通過用四種不同的方法對伐魚河洪水的計算，總結如下：

（1）本次主要針對流域水文資料缺乏時進行的對比計算，且洪水計算結果僅考慮天然河道下的洪水結果。

（2）采用面積比擬法時主要受到相似流域水文資料齊全性和控制面積之差兩個要素的影響，同時也很難精準界定流域相似度，因此在流域控制面積相差不大的中型流域且水文資料齊全的參政流域實用性較高。

（3）經驗公式法計算的洪水位在計算過程和結果中雖然凸顯最優，但本次采用《寶雞市水文手冊》的相關經驗公式也能試用本次結果，對其他省份流域實用性較差，總而言之，通用性較差。

（4）經驗公式法主要依賴于當地實際情況及研究工作者的常年經驗積累而得到的經驗參數計算洪水，本次計算結果中本方法計算值最低，雖然在操作方面較為簡單，但潛在存在的風險及經驗資料難以得到[3]，隨著流域上水利工程的建設，下墊面和氣象等水文條件也在不斷被改變，因此本方法不僅需要不斷更新，而且實用性較差，局限性明顯較高。

（5）神經網絡模擬法看似結果真實性較高，但此法對操作者技術要求較高及對不同頻率降雨量等影響因子的把握難以確定和獲取，本次僅僅利用此方案對計算結果進行類比分析。

（6）暴雨資料推求設計洪水法主要需要的基礎資料為流域各時段暴雨資料，雖然本方法計算結果較其它方法偏高，但在考慮安全性安全角度較為可靠，同時流域洪水主要來源于暴雨，其無論在推理計算還是在理論上都較為嚴密[5]，本次對比結果中，對于平常的設計工作，此較為青睞次方法。

（7）總之，四類方法各有優劣，當小型流域缺乏齊全的水文資料，同時對安全性的要求又偏高時，暴雨推球洪水發更適用此類情況。相對學術性的河道模擬來預測或延展序列方式來推求洪水的方法，此方法更適用于平時的設計工作。