基于WetSpa模型的设计洪水计算

舒晓娟

(广东水利电力职业技术学院，广州510635)

自从新中国成立以来，我国兴建了大量水库。目前不少水库由于年久失修，存在病险问题。当前，病险水库的除险加固是我国重要并且紧迫的任务，而设计洪水的复核是水库安全复核和除险加固设计的依据。近年来，计算机和“3S”技术的发展为分布式水文模型的发展提供了重要的技术支撑，使分布式水文模型成为水文科学的研究热点。选取水文资料比较丰富的广东省流溪河水库流域，分别根据长期的流量资料、广东省短缺资料地区推求设计洪水常用的推理公式法、基于WetSpa分布式水文模型推求设计洪水。对3种方法计算的结果进行比较，探讨基于WetSpa分布式水文模型推求设计洪水的可行性，以期为短缺资料地区推求设计洪水提供新的参考。

1 设计洪水计算方法

1.1 常用设计洪水计算方法

根据水文资料条件的不同，《水利水电工程设计洪水计算规范》［1］规定:设计洪水常采用以下方法进行计算。

(1)由流量资料推求设计洪水。这是推求设计洪水最直接的方法，但需要计算流域有足够长的实测和调查的洪水流量资料，通过频率分析的方法计算设计洪水。

(2)由暴雨资料计算设计洪水。这是通过暴雨资料间接推求设计洪水的方法，该方法适用于流域洪水流量资料短缺，但暴雨资料充足的情况。可先根据暴雨资料用频率分析法推求设计暴雨，然后根据产汇流方案推求设计洪水。

(3)缺乏资料情况设计洪水计算。当流域内洪水流量资料和暴雨资料都短缺时，可利用邻近地区暴雨和洪水资料采用推理公式或经验单位线计算设计洪水，所以该方法地区性较强。

1.2 基于水文模型的设计洪水计算方法

基于水文模型计算设计洪水，随着水文模型的不断发展。早期应用概念性水文模型，穆宏强等［2］应用改进的美国农业部土壤保持局提出的SCS模型(Soil Conservation Service)，计算石桥铺流域50年一遇设计洪水。与湖北省小流域设计洪水计算的推理公式法相比，其计算结果与相同频率的实测成果更接近。黄卡等［3］将美国环保局研制的SWMM(Storm Water Management Model)城市雨洪管理模型应用到广州新机场设计洪水的计算中，认为该方法是城市防洪设计有效可行的新方法。近年来，随着分布式水文模型成为水文科学研究热点，也有学者将分布式水文模型应用于设计洪水的计算中。唐莉华等［4］应用北京市水利规划设计研究院和清华大学共同研究构建的温榆河分布式水文模型WDHM(Wenyuhe Distributed Hydrological Model)，算出温榆河主要河流断面不同频率下的洪峰值。并将结果与北京市水利规划设计研究院根据推理公式、半山区半平原疏浚河道法、等流时线等方法计算的结果进行比较。WDHM模型计算结果与其他方法计算结果基本吻合，不同计算方法得到了相互验证。

1.3 基于WetSpa模型设计洪水计算方法

WetSpa模型是一个基于GIS技术的分布式水文模型，模型简介见文献［5］。如果研究流域具有30a以上实测和插补延长暴雨资料，基于WetSpa模型推求设计洪水，可根据暴雨资料用频率分析法先计算设计暴雨，然后利用WetSpa模型推求相应的设计洪水。WetSpa模型不仅可以进行次洪水模拟，也可以进行连续洪水模拟。所以也可以直接将长期的暴雨资料输入WetSpa模型，经过模型连续模拟计算，得到相应长期的径流过程，再根据模拟的径流过程用频率分析法计算设计洪水。如果研究流域缺乏长期暴雨资料，可根据各地区水文图集查算图表，查出相应历时的暴雨统计参数推求设计暴雨，再利用WetSpa模型推求相应的设计洪水。基于WetSpa模型，根据设计暴雨推求设计洪水，对于不同标准的设计洪水，水力半径由与洪水累积频率相关的幂函数关系式进行计算。原关系式中的参数主要根据欧洲的具体情况确定，不一定适用于我国，笔者根据广东省的实际情况进行了调整。

2 流溪河水库设计洪水计算

流溪河水库流域最近的一次设计洪水复核是利用流量资料用频率分析法计算设计洪水。这是当流量资料充分时，推求设计洪水最常用的方法。将基于WetSpa模型推求设计洪水的结果与根据流量资料计算的结果相比较，可检验基于WetSpa模型推求设计洪水的可行性。另一方面，笔者为了探索WetSpa模型在短缺资料地区推求设计洪水的可行性，将模型计算结果与用广东省无资料地区设计洪水计算常用的《广东省暴雨径流查算图表》［6］中的推理公式法计算的结果进行了比较与分析。

2.1 由流量资料计算设计洪水

1999年水利部珠江水利委员会勘测设计研究院和广东省流溪河水电站对流溪河水库设计洪水进行复核。设计洪水洪峰流量根据洪峰流量资料用频率计算法推求。计算采用1959—1998年实测洪水年最大洪峰流量资料和调查考证的1881，1925，1949年这3次历史特大洪水的年最大洪峰流量资料。特大洪水首项的重现期N=1998－1881+1=118 a。计算采用的理论频率曲线的线型是我国常用的皮尔逊Ⅲ型频率曲线。流溪河水库设计洪水的标准为百年一遇，对应该标准洪水的洪峰流量计算结果为2 830m3/s。采用1959—1998年实测洪水的年最大24 h洪水总量资料，通过适线法进行频率计算。根据该频率曲线得到的最大24 h设计洪水总量计算结果见表2。最大3 d设计洪水总量计算，采用1959—1998年实测洪水的年最大3 d洪水总量资料，通过适线法进行频率计算。根据该频率曲线得到的最大3 d设计洪水总量计算结果为1.46亿m3。

2.2 广东省推理公式法计算设计洪水

广东省无资料地区设计洪水计算常采用《广东省暴雨径流查算图表》［6］中的推理公式法和单位线法。长期以来，推理公式法用得比较多，所以采用推理公式法计算流溪河水库设计洪水。计算步骤如下:

2.2.1 研究流域下垫面情况的查勘及确定分区

流溪河水库流域的地理特征值分别为:集水面积F=539km2、干流河长L=37km、干流平均坡降J=1.61‰。《广东省暴雨径流查算图表》［6］将全省进行分区，根据研究流域的分区情况可查算相应的设计暴雨定点定面关系、设计雨型、产流参数和与汇流有关参数的关系线和图表。

2.2.2 设计暴雨计算

根据《广东省水文图集》［7］可直接查年最大10min，1 h，6 h，24 h，3 d 点暴雨均值 ¯Ht、变差系数CV等值线图，得到研究流域相应历时的特征值。取偏态系数CS=3.5CV，计算出设计频率点暴雨量。点面换算系数乘以相应历时的设计点雨量，即可求得相应历时的设计面雨量Htp面，计算结果见表1。

表1 流溪河水库流域设计暴雨量计算表Table 1 Computation results of design storm in Liuxihe reservoir basin

2.2.3 设计洪峰流量推求

根据《广东省暴雨径流查算图表》［6］广东省分区产流参数表，流溪河水库流域属内陆分区，可查得产流参数。根据工程集水区域特征参数315.7，查汇流参数m-θ关系图，得到汇流参数m。根据推理公式(1)和(2)，求得设计洪峰流量Qm=2 039 m3/s。

式中:τ是流域的汇流历时;hτ是最大τ时段的净雨。

2.2.4 设计洪水过程推求

由《广东省暴雨径流查算图表》［6］附表中的广东省分区最大24 h及最大3 d设计雨型(暴雨时程t分配)表，查得珠江三角洲设计雨型。再根据表1计算的最大6 h，24 h及最大3 d设计暴雨量和产流参数，可得到最大24 h及最大3 d的设计净雨过程。根据推理公式法全省综合概化洪水过程线表，得到流溪河水库流域的设计洪水过程，相应的最大24 h及3 d的设计洪水总量见表2。

2.3 基于WetSpa模型计算设计洪水

根据《广东省水文图集》［7］和《广东省暴雨径流查算图表》［6］求得流溪河水库流域最大3 d的设计暴雨过程，蒸发数据也可根据《广东省水文图集》［7］得到，将降雨过程和蒸发数据输入WetSpa模型。利用流溪河水库流域DEM(见图1)、土地利用(见图2)和土壤类型(见图3)等数据，WetSpa模型可自动得到相应的产汇流计算所需要的空间分布参数。

图1 流溪河水库流域DEM(100m分辨率)［5］Fig.1 DEM of Liuxihe reservoir basin(100 pixels)［5］

图2 流溪河水库流域土地利用类型分布图［5］Fig.2 Map of land use in Liuxihe reservoir basin［5］

根据DEM，基于ArcView3.2的WetSpa模型自动提取流域的数字特征:汇流网络、河网链、河网编码、坡度、水力半径及子流域的边界划分等。累积流阈值取为100，计算出流溪河水库流域所在区域的河网确定子流域的单元阈值取为1 000，这样流域被分为35个子流域。计算水力半径时，选择设计频率P=1%相应的参数，第i单元格的平均水力半径Ri可根据该单元格的上游集水面积Ai由以下公式(3)计算:

图3 流溪河水库流域土壤类型分布图［5］Fig.3 Map of soil type in Liuxihe reservoir basin［5］

采用扩展傅里叶幅度敏感性检验法E-FAST(Extend-Fourier Amplitude Sensitivity Test)［8］对WetSpa模型需要通过率定确定的7个全局参数进行敏感性分析。在敏感性分析的基础上，用人工试错法，根据流域20场有代表性的实测降雨洪水资料率定全局参数。土壤初始含水量相对蓄水容量的比值Kss，对于设计频率P=1%的洪水直接取为0.8。基于WetSpa模型计算的流溪河水库流域设计洪水洪峰和洪量结果见表2。

2.4 结果与分析

表2是3种不同方法计算的设计洪水的洪峰和洪量结果，从表2可看出:推理公式法计算的设计洪峰流量结果比由流量资料推求的结果小27.95%，基于WetSpa模型法推求的设计洪峰流量比由流量资料推求的结果大20.88%;推理公式法计算的最大24 h设计洪水总量比由流量资料推求的结果大10.99%，基于WetSpa模型法推求的最大24 h设计洪水总量比由流量资料推求的结果小8.79%;推理公式法计算的最大3 d设计洪水总量比由流量资料推求的结果小5.48%，基于WetSpa模型法推求的最大3d设计洪水总量比由流量资料推求的结果小0.68%。相对由推理公式法推求设计洪水，基于WetSpa模型法推求的结果更加接近由流量资料推求的结果。从计算结果看，基于WetSpa模型法略优于推理公式法推求设计洪水。

表2 流溪河水库流域不同方法计算的设计洪水结果Table 2 Computation results of design flood in Liuxihe reservoir basin by different methods

3 结论

分别根据流量资料、广东省推理公式法、基于WetSpa模型推求水文资料情况比较丰富的流溪河水库流域的设计洪水洪峰流量、最大24 h设计洪水总量和最大3 d设计洪水总量。对3种方法计算的结果进行比较分析，可知:相对广东省无资料地区推求设计洪水常用的推理公式法，基于WetSpa模型推求设计洪水洪峰流量和洪水总量的结果与根据长期流量资料计算结果更接近，说明基于WetSpa模型推求设计洪水是可行的。由于利用WetSpa模型推求设计洪水只需要知道流域的DEM、土地利用类型、土壤类型，以及少量的降雨洪水过程用来率定参数就可以了。而流域的DEM、土地利用类型、土壤类型等数据可通过互联网免费下载获取，因此WetSpa模型为短缺资料地区推求设计洪水提供了新的参考。

［1］中华人民共和国水利部.水利水电工程设计洪水计算规范［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］穆宏强.SCS模型在石桥铺流域的应用研究［J］.水利学报，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］黄 卡，张 翔，李 鹏.SWMM模型在城市设计洪水中的应用研究［J］.企业科技与发展: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］唐莉华，张思聪，高振宇，等.温榆河上游流域WDHM的应用与分析［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))

［5］舒晓娟，陈洋波，徐会军，等.Wetspa模型在流溪河水库入库洪水模拟中的应用［J］.长江科学院院报，2009，26(1):17－20.(SHU Xiao-juan，CHEN Yangbo，XU Hui-jun，etal.Application of Wetspa Model in Simulation of Liuxihe Reservoir Inflow Flood［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，26(1):17－20.(in Chinese))

［6］广东省水文总站.广东省暴雨径流查算图表［Z］.1991.(Hydrology Station in Guangdong Province.Rainstorm Runoff Searching and Calculating Charts in Guangdong Province［Z］.1991.(in Chinese))

［7］广东省水文总站.广东省水文图集［Z］.1991.(Hydrology Station in Guangdong Province.Hydrological Atlas in Guangdong Province［Z］.1991.(in Chinese))

［8］SALTELLI A，TARANTOLA S，CHAN K PS.A Quantitative Model-Independent Method for Global Sensitivity A-nalysis of Model Output［J］.Technometrics，1999，41(1):39－56.