缺乏资料的小型流域洪水计算方法分析

梁海宏，黄一帆，李文辉

（宝鸡市渭河拦河闸工程管理处，陕西 宝鸡 721000）

在河流的洪水计算中，通常因资料的缺乏而无法对河道洪水进行较为准确的推求，进而在实际运用中通常借助相似流域资料对研究流域进行比拟或经验推求洪水[1]，但由于推求方法的不同导致计算结果也相应出现差异性。本文主要选取伐鱼河作为本次讨论的典型流域，通过面积比拟法、经验公式法、暴雨推求洪水法及神经网络四种不同的方法对其天然流域进行计算，结合计算过程中不同的依据，综合性的对比分析伐鱼河洪水计算中四种不同方法的适用性和准确性。

1 洪水计算

1.1 概况

伐鱼河，也称磻溪河，古称磻溪，属黄河支流渭河南岸（右岸）支流，即传说姜太公垂钓之的河流。流域面积155.1 km2，总长26.3 km，平均比降3.16‰，年径流量为8050万m3。流域内主要为花岗岩区，海拔高程为594～2400 m。河谷切割较深岸坡约为 50°～60°。

1.2 洪水计算

（1）面积比拟法

伐鱼河缺乏水文资料，本次选取益门水文站1956～2009年54年实测洪水资料，用矩阵计算参数作为初始值[2]，采用P-Ⅲ型曲线目估适线，在适线时着重考虑曲线中、上部的较大洪水，适当考虑下端较小的洪水点据，统计参考及不同频率洪峰流量及洪水总量见表1。

表1 益门镇水文站设计洪水计算成果表单位：m3/s；万 m3

利用公式：

用面积比拟法计算的伐鱼河洪水结果见表2。

表2 经验公式法洪水计算结果表 单位：m3/s

（2）经验公式法

利用公式：

用经验公式法计算的伐鱼河洪水结果见表3。

表3 经验公式法洪水计算结果表 单位：m3/s

（3）暴雨资料推求设计洪水

本方法主要根据《宝鸡市水文使用手册》及流域的水文特征值计算流域不同历时的设计面雨量及其分配过程，并用下渗曲线扣损后求得净雨过程，然后按推理公式法计算汇流，并推求出伐鱼河洪峰流量。

首先在《手册》中提供的不同历时点暴雨量等值线图及变差系数CV等值线图可分别查到伐鱼河重心处1 h、3 h、6 h和24 h暴雨量及其CV值，并按CS=3.5CV及P-Ⅲ型曲线提供的Kp值求得不同频率下的点暴雨量，再利用第二步利用点面系数计算公式：

结合秦岭北麓、西部山区设计暴雨分区点面系数αt、指数βt，计算得到的流域不同频率不同历时的面暴雨量，见表4。

表4 流域不同频率面暴雨量计算成果表 单位：mm

第三步对设计面暴雨量进行时程分配后进行产汇流计算，最终得到 Qm～t与 Qτ～τ关系曲线图，见图 1，其交点即为所求。

图 1 Qm～t与 Qτ～τ 关系曲线图

用暴雨资料推求设计洪水法计算的伐鱼河洪水结果见表5。

表5 洪峰流量图解法计算结果表 单位：m3/s

（4） 神经网络建模

神经网络模拟在学术中运用较广，因此本次选用神经网络模拟模型进行简单对比分析。以伐鱼河钓鱼台水库出险加固计算资料为基础，分别选取100年、50年、30年和20年洪水作为响应变量，不同频率下降雨量x1，蒸发量x2及水库下泄水量x3作为自变量，将不同频率降雨量、蒸发量及水库下泄水量作为输入因子，钓鱼台水库除险加固计算成果中30年洪水作为输出因子，建立模型，通过训练得到Qh2＜0.0975即可，最终利用模型预测其与频率洪水。具体30年频率下各因素相关系数表和最终训练成果表。

表6 相关系数表

表7 神经网络法计算结果表 单位：m3/s

2 方法对比分析

通过用三种不同的方法对伐鱼河洪水的计算，结果见图2。

图2 不同方法污水计算结果

（1）本次主要针对流域水文资料缺乏时进行的对比计算，且洪水计算结果仅考虑天然河道下的洪水结果。

（2）面积比拟法主要借助水文资料齐全的相似流域进行比拟计算，且要求控制面积之差不能大于20%，对于小流域适应性较差，同时此类方法局限性较大，且在流域相似性等方面难以准确估量，因此本方法利用率较低。

（3）本次计算结果中相对经验公式法，暴雨推求法计算的洪水在偏大17.8%～27.1%之间，相对推理公式法偏大0.82%～17.4%之间，从安全角度分析，暴雨推求法更具适应性，但依据近些年河道实际调查，多年河道径流深无法达到本次计算结果，因此在工程设计中考虑到安全角度更适合。

（4）经验公式法计算结果介于本次三种方法之间，从折线图看，结果更优，但局限性较大。

（5）暴雨推求法相对经验公式法，洪水计算结果在低于百年一遇时偏差较大，而相对推理公式法计算结果同样在低于百年一遇标准时偏差增大，原因和计算原始数据来源可靠性相关，导致模拟序列延展性出现不同趋势。

（6）神经网络模拟法看似结果与基础资料相符度较高，但此方法学术性研究利用率较高，在现实设计中，很多影响因子资料难以获取。

（7）经验公式法主要依赖于当地实际情况及研究工作者的常年经验积累而得到的经验参数计算洪水，本次计算结果中本方法计算值最低，虽然在操作方面较为简单，但潜在存在的风险及经验资料难以得到[3]，随着流域上水利工程的建设，下垫面和气象等水文条件也在不断被改变，因此本方法不仅需要不断更新，而且实用性较差，局限性明显较高。

（8）暴雨资料推求设计洪水法主要需要的基础资料为流域各时段暴雨资料[4]，本方法计算结果较其它方法偏高，在安全角度较为可靠，同时流域洪水主要来源于暴雨，其无论在推理计算还是在理论上都较为严密[5]，因此本次对比结果中，此方法较为可靠。

3 结语

通过用四种不同的方法对伐鱼河洪水的计算，总结如下：

（1）本次主要针对流域水文资料缺乏时进行的对比计算，且洪水计算结果仅考虑天然河道下的洪水结果。

（2）采用面积比拟法时主要受到相似流域水文资料齐全性和控制面积之差两个要素的影响，同时也很难精准界定流域相似度，因此在流域控制面积相差不大的中型流域且水文资料齐全的参政流域实用性较高。

（3）经验公式法计算的洪水位在计算过程和结果中虽然凸显最优，但本次采用《宝鸡市水文手册》的相关经验公式也能试用本次结果，对其他省份流域实用性较差，总而言之，通用性较差。

（4）经验公式法主要依赖于当地实际情况及研究工作者的常年经验积累而得到的经验参数计算洪水，本次计算结果中本方法计算值最低，虽然在操作方面较为简单，但潜在存在的风险及经验资料难以得到[3]，随着流域上水利工程的建设，下垫面和气象等水文条件也在不断被改变，因此本方法不仅需要不断更新，而且实用性较差，局限性明显较高。

（5）神经网络模拟法看似结果真实性较高，但此法对操作者技术要求较高及对不同频率降雨量等影响因子的把握难以确定和获取，本次仅仅利用此方案对计算结果进行类比分析。

（6）暴雨资料推求设计洪水法主要需要的基础资料为流域各时段暴雨资料，虽然本方法计算结果较其它方法偏高，但在考虑安全性安全角度较为可靠，同时流域洪水主要来源于暴雨，其无论在推理计算还是在理论上都较为严密[5]，本次对比结果中，对于平常的设计工作，此较为青睐次方法。

（7）总之，四类方法各有优劣，当小型流域缺乏齐全的水文资料，同时对安全性的要求又偏高时，暴雨推球洪水发更适用此类情况。相对学术性的河道模拟来预测或延展序列方式来推求洪水的方法，此方法更适用于平时的设计工作。