填洼損失量計算在海河流域洪水預報中的應用

任國源

（中國水利水電科學研究院 北京 100038）

填洼損失量計算在海河流域洪水預報中的應用

任國源

（中國水利水電科學研究院 北京 100038）

本文對葫蘆島市南票區節水增糧工程項目的區域內地質與水文地質條件進行了詳細分析與研究，為項目的實施提供了可靠的地質和水文地質的地下水等條件分析依據，為同類項目建設起到了參考借鑒作用。

節水增糧 水文地質 地層 地下水 分析

傳統水文模型大部分以集總式降水作為輸入，該水文模型已被國內廣大水文預報工作者接受，并在全國范圍內應用廣泛，積累了豐富的經驗并具有一定的預報精度，這些模型在防汛、抗旱工作中仍在發揮重要作用，這也是該模式存在的重要原因之一。由于此類模型對下墊面“刻畫”不夠細致，所以下墊面的變化對模型的適用性提出了挑戰，影響了水文預報精度，這也是近些年分布式水文模型在我國許多地區被應用和推廣的原因之一。

1 問題的提出

目前海河流域預報方案匯編中共有88個節點的預報方案，僅有4套改進的新安江預報方案，其余均為經驗方案，河道匯流基本采用經驗單位線和M法,這些方案在構建時對下墊面的地形、地貌特征，流域洼地、地面沉降等重要信息無法細致考慮，使這些預報方案存在對下墊面信息的處理上存在一定的缺陷，而且方案全部由歷史大洪水率定，但海河流域近20年沒有發生較大洪水，這期間由于經濟社會的發展，受人類活動影響，流域的下墊面情況變化很大，致使流域產、匯流規律發生了改變。而目前常規的經驗預報方法和常規的模型方法都需要場次洪水進行產匯流參數率定，沒有足夠的場次洪水就無法修訂方案，所以目前應用的方案無法真實反映變化的下墊面的情況，造成精度較低，大部分預報只能作為參考。如何利用現有的預報方案，提高作業預報時的精度是預報人員關心的問題。

2 技術思路

除了近年興起的純分布式模型，如SWAT模型，TOPMODEL模型等考慮添洼影響外，在傳統水文預報模型中，一般都沒有直接考慮降水初期的填洼水量，把降水初期的添洼影響隱含在其他參數中，如新安江模型就把添洼影響隱含在初始土含中。這種處理是建立在添洼影響較小而且下墊面變化不大的基礎上，對于影響和變化較大的區域，這樣處理就會對預報結果造成一定影響，容易出現預報的洪水過程起漲階段較實測洪水大，而且預報的洪水總量誤差也及較大的現象。

本文在不改變現有水文預報模型及其參數的基礎上，參考分布式模型處理填挖的思路，利用DEM資料，在泰森多邊形內分析流域洼地、計算填洼量。傳統水文模型多采用泰森多邊形法將流域分為若干個雨量站代表面積，且假設泰森多邊形降雨分布是均勻的，雨量值為該泰森多邊形內雨量站點的實測值。扣除填洼量，得到該泰森多邊形代表面積的雨量修正值，以該值作為傳

統水文模型的降水輸入，以便考慮了下墊面變化的對洪水預報成果的影響。

2.1 基于DEM的雨量站代表面積確定

由于GIS等許多軟件，可以自動實現泰森多邊形的劃分，所以在目前應用的模型中大多以泰森多邊形法確定雨量站的代表區域。泰森多邊形方法是荷蘭氣候學家A.H.Thiessen提出的一種根據離散分布的氣象站的降雨量來計算平均降雨量的方法。泰森多邊形，具有三個基本特征：

（1）泰森多邊形內的點到相應的離散點的距離最近。

（2）每個泰森多邊形內僅有一個離散點數據。

（3）泰森多邊形邊上的點到其他兩邊的離散點的距離相等。

根據確定的泰森多邊形邊界，基于DEM資料，則可分析該泰森多邊形內的下墊面情況，為填洼處理確定了范圍和依據。

2.2 填洼損失的計算

文中的填洼特指由于真實洼地的存在，而使得降水不能直接沿水流方向匯流，而被蓄積在洼地中所損失的水量。在填洼損失的水量扣除后，將剩余的降水量值作為現有水文預報模型的降水量輸入。

文中提出兩種計算填洼損失的方法。方法一是不考慮洼地中的水流方向，只填滿洼地柵格，剩余的水量即作為現有水文預報模型的降水量輸入；方法二是考慮洼地中的水流方向，至洼地區域全部被填滿后，剩余的水量才作為現有水文預報模型的降水量輸入。

不考慮洼地區域中的水流方向。如果不考慮洼地區域的水流方向，則在降水發生時，每個柵格的降水量達到此洼地深度后，填洼過程結束。

考慮洼地區域中的水流方向。如果考慮洼地區域的水流方向，則在降水發生時，洼地中的各柵格降水量達到此洼地深度后，再發生降水時，柵格中多余的水量將沿水流方向匯到其它洼地柵格。當整個洼地區域全部達到蓄滿狀態后，填洼過程結束。

這兩種方法的不同在于對降水初期的降水過程有影響，而對于總填洼量沒有影響。

圖1是一個不考慮洼地內水流方向的降水填洼損失計算示例。在例中假設每個柵格各時段的降水量均為2。（a）圖顯示的是各柵格的洼地深度；（b）圖顯示的是第一個時段的降水計算填洼損失量后的降水量值；（c）圖顯示的是第二個時段的降水計算填洼損失量后的降水量值。

圖2是一個考慮洼地內水流方向的降水填洼損失計算示例。在例中假設每個柵格各時段的降水量均為2。（a）圖顯示的是各柵格的洼地深度；（b）圖顯示的是各柵格的水流方向；（c）圖顯示的是第一個時段的降水計算填洼損失量后的降水量值。

圖1 不考慮洼地內水流方向的降水填洼損失計算

圖2 考慮洼地內水流方向的降水填洼損失計算

由圖1與圖2比較可以看出，如果考慮洼地內水流方向，則降水的填洼過程較不考慮洼地內水流方向的快，而填洼總量不變。即填洼損失量主要和下墊面情況有關，和降水特點關系不大，每個泰森多邊形內該值相對固定。

3 實例分析

本文以海河流域的潘家口水庫以上預報區域進行研究，該區域面積9839km2。潘家口水庫是引灤工程的源頭，為天津、唐山兩市的水源水庫，也是灤河流域控制性防洪工程。

潘家口水庫目前應用的洪水預報模型為新安江三水源模型，在率定參數時，流域分為五塊，各塊的產、匯流詳見表1。

從表1可以看出，在率定參數時受資料和方法限制，下墊面無法細膩刻畫，所以造成各子流域產流參數基本一致的情況。反映在預報成果上，表現為洪水起漲段精度較差，預報成果一般要大于實際過程。尤其對中、小洪水和久旱后的大洪水其水文預報精度影響更大。

表1 流域各塊三水源新安江模型參數表

為了克服上述影響，根據預報方案泰森多邊形的劃分情況（見圖3）和填洼量計算方法，計算各塊填洼量，每個泰森多變形內的填洼損失量見表2。從表2可以看出，對于修建了大量攔蓄水工程的承德、寬城兩個站控制的泰森多邊形，其填洼損失量高達28mm和23mm，而下墊面變化相對較小的潘家口站控制的區域，其填洼損失量僅為5mm。

表2 流域各站控制的泰森多邊形填洼損失量（單位：km2、mm）

圖3 泰森多邊形的劃分情況

表3 潘家口水庫預報結果表（單位：m3/s、108mm）

應用上述兩種填洼計算方法，對比灤河潘家口水庫2011年7.26洪水預報成果，如表3所示，從表中可以看出，考慮下墊面損失的預報成果較沒有考慮下墊面損失的預報成果精度明顯提高。由于三水源模型具有蓄滿產流的性質，所以兩種填洼損失量計算方法對洪量、洪峰影響不大，但對其起漲段的過程有一定影響，考慮水流方向的填洼在起漲段和實際情況擬合的較好。

4 基本結論

本文基于DEM資料，在不改變傳統預報方案的基礎上，提出了一種考慮下墊面變化、提高預報精度的方法。同時利用本文的填挖處理方法，通過對降雨輸入的修正，有效的解決了降水初期的填洼問題。本文只對填洼量進行了分析處理，下墊面變化對流域產、匯流的影響以及如何修正還需要進一步研究。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.09.013

TV122

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1672-2469(2014)09-0039-03

任國源（1986年—），女，助理工程師。