中小河流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)方法與應(yīng)用

梁犁麗,馬 嵐,胡宇豐,李 匡

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司,北京 100038)

中小河流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)方法與應(yīng)用

梁犁麗,馬 嵐,胡宇豐,李 匡

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司,北京 100038)

中小河流預(yù)警預(yù)報(bào)模型方法是中小河流監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)體系建設(shè)中的重要內(nèi)容,本文將其分為集總式水文模型、分布式水文模型、其他經(jīng)驗(yàn)方法3種類型進(jìn)行探討后指出,集總式水文模型和其他經(jīng)驗(yàn)方法在目前中小河流預(yù)警預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)作業(yè)中仍然占有重要位置,分布式水文模型具有應(yīng)用潛力,但目前還沒(méi)有大規(guī)模用于洪水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù);而后結(jié)合典型實(shí)例分析了中小河流預(yù)警預(yù)報(bào)方法應(yīng)用與方案編制過(guò)程中資料收集、預(yù)報(bào)模型選擇、參數(shù)率定、精度評(píng)定等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容,最后提出中小河流預(yù)警預(yù)報(bào)方案要根據(jù)流域能夠獲得的雨量、水文、下墊面、洪水特性、相似流域預(yù)報(bào)方案等資料情況綜合考慮選擇具體方法。

預(yù)警預(yù)報(bào);中小河流;缺資料流域;集總式水文模型;分布式水文模型;經(jīng)驗(yàn)方法

中小河流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)方法和應(yīng)用研究是中小河流監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警體系建設(shè)的重要內(nèi)容和組成部分,中小河流流域內(nèi)雨量、水文站點(diǎn)資料相對(duì)缺乏,在洪水預(yù)報(bào)中,一方面在現(xiàn)有方法和技術(shù)水平下對(duì)中小河流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)的精度要求不太高;另一方面中小河流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)方案必不可少,方案中預(yù)報(bào)模型方法要有針對(duì)性和適用性。本文在探討中小河流預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)方法及其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)典型實(shí)例分析了其預(yù)警預(yù)報(bào)方案編制的主要環(huán)節(jié)、內(nèi)容和需要注意的問(wèn)題。

1 中小河流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)方法及其特點(diǎn)

預(yù)報(bào)模型與方法是水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)的核心,可用于中小河流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)的模型方法主要有新安江模型、水箱模型、API模型、綜合單位線法、地貌單位線法、河道匯流模型、參數(shù)移植法、雨量預(yù)警法、SHE模型、SWAT模型、TOPMODEL、TOPKAPI模型,以及其他缺資料地區(qū)的水文預(yù)報(bào)方法(PUB)等。這些模型方法按照反映流域空間變化的能力可大致分為集總式水文模型、分布式水文模型和其他經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方法。

1.1 集總式水文模型

集總式水文模型(Lumped Hydrologic Model)是將全流域當(dāng)作一個(gè)整體,對(duì)流域參數(shù)(變量)進(jìn)行均化處理,對(duì)流域表面任一點(diǎn)的水文過(guò)程用簡(jiǎn)單的基于水文規(guī)律的方程加以描述,其本質(zhì)上只能反映有關(guān)因素對(duì)徑流形成過(guò)程的平均作用[1]。常用的集總式水文模型有:Crawford和Linsley(1966)提出的斯坦福模型,美國(guó)天氣局Sittnr(1969)提出的API模型,日本菅原正巳(1974)提出的Tank模型,Robert等(1979)提出的Sacramento模型,愛(ài)爾蘭國(guó)立大學(xué)工程水文系研制的SMAR模型,以及最初由丹麥理工大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院的 Nielsen和 Hansen提出(1973)、水力研究所在實(shí)踐中逐漸完善的NAM降雨徑流模型,國(guó)內(nèi)原華東水利學(xué)院趙人俊教授等(1980)提出的新安江模型等。

這些集總式水文預(yù)報(bào)模型大部分是概念性的降雨徑流模型,將流域水文過(guò)程或雨洪轉(zhuǎn)化過(guò)程概化為幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié):產(chǎn)流、坡面匯流、河道匯流、下滲、蒸發(fā)等,如新安江模型和Tank模型,相應(yīng)的模型參數(shù)也可分為產(chǎn)流、匯流、蒸散發(fā)參數(shù)等。集總式水文預(yù)報(bào)模型不考慮流域水文現(xiàn)象或要素的空間變異性,模型參數(shù)是流域概化值,沒(méi)有實(shí)際的物理意義,通常不能實(shí)際測(cè)量,需要通過(guò)率定才能確定;模型輸入一般有降雨、蒸發(fā)(或氣溫)、流量等觀測(cè)資料。

現(xiàn)有的集總式水文預(yù)報(bào)模型的主要優(yōu)點(diǎn)有:1)參數(shù)少,率定相對(duì)容易;2)模型簡(jiǎn)單,預(yù)報(bào)計(jì)算速度快;3)模型參數(shù)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后,預(yù)報(bào)精度高。由于集總式模型的這些優(yōu)點(diǎn),在中短期水文預(yù)報(bào)中仍然占有重要位置,如新安江模型依然是我國(guó)濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)區(qū)大江大河流域洪水預(yù)報(bào)的主要工具之一。但集總式水文預(yù)報(bào)模型也有其不足[1]:1)參數(shù)從歷史數(shù)據(jù)資料中率定出來(lái),參數(shù)間的不獨(dú)立性和不確定性問(wèn)題無(wú)法解決;2)只適合于有資料的流域,且資料內(nèi)插可以,若用于外延,預(yù)報(bào)誤差較大;3)無(wú)法描述水文物理過(guò)程的空間變化信息;4)無(wú)法模擬變化環(huán)境中的陸面過(guò)程,在有水庫(kù)調(diào)節(jié)或人工干擾強(qiáng)度大的流域需要考慮如何分塊的問(wèn)題,或重新率定參數(shù);5)空間尺度無(wú)法與氣候模型耦合,用于全球變化研究有困難。

1.2 分布式水文模型

分布式水文模型是通過(guò)水循環(huán)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制來(lái)描述和模擬流域水文過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,它一般根據(jù)流域下墊面(DEM、土地利用和土壤分布等)的差異性和降水的不均勻性等把流域分為若干個(gè)子流域或計(jì)算單元進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算和河道演算。它與集總式水文預(yù)報(bào)模型的本質(zhì)區(qū)別是根據(jù)下墊面的異質(zhì)性將水文參數(shù)進(jìn)行離散化處理,其參數(shù)具有明確的物理意義[2],大部分可測(cè)量得到,可以更加準(zhǔn)確的描述流域的空間分異性,反映流域內(nèi)真實(shí)的水文過(guò)程。其水文過(guò)程劃分也更為詳細(xì),一般分為降水、融雪、蒸發(fā)、下滲、地面徑流、壤中流、地下徑流等多個(gè)模塊,各模塊用經(jīng)驗(yàn)的或數(shù)學(xué)物理方程進(jìn)行描述,計(jì)算單元(子流域)間有水力聯(lián)系。

國(guó)內(nèi)外的分布式水文模型也不下幾十種,第一個(gè)具有代表性的分布式水文物理模型是SHE模型[3]、此后,國(guó)內(nèi)外陸續(xù)開(kāi)發(fā)和發(fā)展了一批水文物理模型用于流域水文預(yù)報(bào),如1973年由美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究所(USDA-ARS)組織相關(guān)人員開(kāi)發(fā)并逐步改進(jìn)的半分布式SWAT模型[4]、瑞典國(guó)家水文氣象局(SMHI)于20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)的半分布式HBV模型,1979年由Beven和Kirkby提出的基于地形的半分布式TOPMODEL[5,6]、由Todini在2001年提出TOPKAPI模型,以及THALES模型、美國(guó)陸軍工程師團(tuán)水文工程中心研發(fā)的HEC-HMS模型等;國(guó)內(nèi)有正在由國(guó)家自然基金委重點(diǎn)資助開(kāi)發(fā)的分布式新安江模型,李蘭于2001年左右提出并逐步改進(jìn)的李蘭模型(LL-Ⅰ、LL-Ⅱ、LL-Ⅲ)、賈仰文由2001年正式提出的網(wǎng)格分布式流域水循環(huán)模型WEP模型等[7,8]。

分布式水文模型的主要優(yōu)點(diǎn)有:1)具有分布式參數(shù)和輸入輸出數(shù)據(jù),能夠充分利用雷達(dá)、衛(wèi)星等遙感資料,耦合高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式,在水文預(yù)報(bào)中具有應(yīng)用潛力;2)對(duì)水文過(guò)程描述更細(xì)致、更復(fù)雜,并提供水文過(guò)程及其要素的時(shí)空分布;3)模型具有一定的物理機(jī)制,能用于缺資料地區(qū)的水文預(yù)報(bào)。但其缺點(diǎn)也不容忽視:1)建模困難,需要大量數(shù)據(jù)或相關(guān)參數(shù);2)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,參數(shù)數(shù)量多,率定和驗(yàn)證工作量大;3)需要在計(jì)算速度和模擬精度間權(quán)衡;4)模型理論方法的完善與實(shí)用效果并不完全一致,具有固有的不確定性等影響因素[9],模擬精度受影響。由于這些缺點(diǎn),很難保證分布式水文預(yù)報(bào)模型對(duì)大、中、小各種洪水都有高精度的模擬預(yù)報(bào)結(jié)果,現(xiàn)階段還不能大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)作業(yè)。

1.3 其他經(jīng)驗(yàn)性水文預(yù)警預(yù)報(bào)方法

可用于中小河流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)的方法還有綜合單位線法、地貌單位線法、相關(guān)圖法、參數(shù)移植法、馬斯京根匯流演算法、水力學(xué)模型法、趨勢(shì)法、雨量預(yù)警法等。綜合單位線和地貌單位線法是通過(guò)建立單位線要素與流域地理特征值之間的關(guān)系推求單位線,利用單位線推求洪水匯流過(guò)程的方法;相關(guān)圖法利用事先繪制的降雨徑流,查出已知降雨對(duì)應(yīng)的徑流大小,該方法直觀、簡(jiǎn)單易用,但前期繪制相關(guān)圖所需資料多、工作量大;參數(shù)移植法指先在有資料地區(qū)進(jìn)行模型參數(shù)率定,在參數(shù)達(dá)到較好效果后,將模型參數(shù)與流域的面積、河長(zhǎng)及坡度、土地覆蓋等流域?qū)傩越⑾嚓P(guān)關(guān)系,然后利用無(wú)資料地區(qū)的流域?qū)傩灾捣赐茀?shù),代入模型進(jìn)行建模;分解法和參數(shù)移植法類似,分解法是根據(jù)下游預(yù)報(bào)斷面的模型參數(shù),利用水文變量信息本身與流域下墊面特性之間的關(guān)系,制定無(wú)資料流域的洪水預(yù)報(bào)方案;馬斯京根匯流演算法和水力學(xué)模型法主要用于河道匯流演算;趨勢(shì)法是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn),結(jié)合未來(lái)降雨、上下游來(lái)水和歷史洪水,人工分析得出預(yù)報(bào)結(jié)果;雨量預(yù)警法是根據(jù)雨量站降水量劃分等級(jí)進(jìn)行預(yù)警,并不預(yù)報(bào)洪水過(guò)程。

這些經(jīng)驗(yàn)預(yù)警預(yù)報(bào)方法是最早應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)的傳統(tǒng)方法,具有簡(jiǎn)明易用、效果較好的特點(diǎn),在某些地區(qū)的預(yù)報(bào)精度甚至比復(fù)雜的產(chǎn)匯流模型精度更高,因此在洪水預(yù)報(bào)實(shí)踐中,與其他水文預(yù)報(bào)模型一起為洪水預(yù)報(bào)提供了有力支持,特別是在流域面積小或缺資料地區(qū)的中小河流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)作業(yè)中,仍然發(fā)揮了重要作用。

2 中小河流預(yù)警預(yù)報(bào)方法應(yīng)用典型實(shí)例

中小河流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)方法應(yīng)用的過(guò)程也是其預(yù)警預(yù)報(bào)方案形成的過(guò)程,按照流域水文站點(diǎn)布設(shè)情況,可將中小河流分為中小河流新建站、無(wú)站中小河流、現(xiàn)有水位站、現(xiàn)有水文站、平原河網(wǎng)區(qū)水文(位)站、水庫(kù)站中小河流等。預(yù)報(bào)方案的編制過(guò)程包括基礎(chǔ)資料的收集和處理、流域匯流時(shí)間的確定、預(yù)報(bào)方案的模型選擇和設(shè)計(jì)、模型參數(shù)的率定及預(yù)報(bào)方案的評(píng)定等內(nèi)容。浙江省文成縣境內(nèi)泗溪流域內(nèi)有水庫(kù)站預(yù)報(bào)斷面、有新建站預(yù)報(bào)斷面,流域面積小,匯流時(shí)間短,屬于缺資料流域,故選泗溪流域作為中小河流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)方法應(yīng)用的典型案例。

2.1 資料收集整理

泗溪流域?qū)儆陲w云江水系一級(jí)支流,發(fā)源于文成縣金竹垟,東南流入百丈際水庫(kù),最后匯入珊溪水利樞紐工程配套的供水水庫(kù)趙山渡水庫(kù)。河流長(zhǎng)42.4 km,自然落差707 m,平均坡降17.7‰。百丈際水庫(kù)水位站為泗溪流域重要的水庫(kù)控制站,測(cè)站以上集水面積約100 km2;泗溪水位站為2010年的新建站,距離文成縣城約2.5 km,泗溪站以上集水面積225 km2,泗溪水系示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 泗溪流域水系圖

2.2 預(yù)警預(yù)報(bào)模型方法選擇

百丈際水庫(kù)預(yù)報(bào)斷面有1994年以來(lái)的若干場(chǎng)入庫(kù)流量資料,適合選用新安江水文模型、Tank模型、TOPKAPI模型等編制預(yù)報(bào)方案。泗溪預(yù)報(bào)斷面無(wú)流量資料,預(yù)報(bào)斷面在百丈際水庫(kù)預(yù)報(bào)斷面以下,故僅能采用參數(shù)移植法、地貌單位線法和雨量預(yù)警法等。本文采用三水源新安江模型建立百丈際水庫(kù)斷面的預(yù)報(bào)方法,泗溪預(yù)報(bào)斷面移用百丈際水庫(kù)斷面的模型參數(shù)進(jìn)行降雨洪水過(guò)程模擬。根據(jù)流域特性、流域水系、測(cè)站分布等,將兩個(gè)預(yù)報(bào)斷面進(jìn)行分塊分單元建立新安江模型預(yù)報(bào)方案,預(yù)報(bào)方案配置見(jiàn)表1。

表1 泗溪流域斷面預(yù)報(bào)方案配置表

2.3 模型參數(shù)率定

百丈際水庫(kù)站有若干場(chǎng)典型洪水過(guò)程,可用于新安江模型參數(shù)率定和驗(yàn)證,以百丈際水庫(kù)站以上流域驗(yàn)證好的參數(shù)移用到百丈際水庫(kù)以下～泗溪水位站以上區(qū)間流域進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算,百丈際水庫(kù)的出庫(kù)流量作為區(qū)間入流,采用馬斯京根河道匯流演算法,疊加區(qū)間產(chǎn)匯流后推算到泗溪水位站預(yù)報(bào)斷面。經(jīng)過(guò)模擬與實(shí)測(cè)徑流過(guò)程對(duì)比、參數(shù)調(diào)整、再對(duì)比等過(guò)程,得到百丈際水庫(kù)斷面1 h計(jì)算時(shí)段下的新安江模型參數(shù),如表2所示。

表2 百丈際水庫(kù)斷面1h時(shí)段預(yù)報(bào)方案新安江模型參數(shù)

2.4 方案精度評(píng)定與修訂

根據(jù)規(guī)范要求和《浙江省水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范(SL250—2000)實(shí)施細(xì)則(試行)》的規(guī)定,洪水預(yù)報(bào)精度評(píng)定項(xiàng)目包括洪峰流量(水位)、洪量(徑流量)、洪峰出現(xiàn)時(shí)間和洪水過(guò)程。百丈際水庫(kù)預(yù)報(bào)斷面率定期和驗(yàn)證期5場(chǎng)洪水新安江模型預(yù)報(bào)方案精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 百丈際水庫(kù)斷面1 h時(shí)段預(yù)報(bào)方案率定期合格率統(tǒng)計(jì)

由表3中可以看出,以實(shí)測(cè)洪峰流量和實(shí)測(cè)洪量的20%、預(yù)報(bào)根據(jù)時(shí)間至實(shí)測(cè)洪峰出現(xiàn)時(shí)間之間時(shí)距的30%作為許可誤差,百丈際水庫(kù)預(yù)報(bào)斷面參數(shù)率定期和驗(yàn)證期預(yù)報(bào)方案合格率均為100%,預(yù)報(bào)方案精度屬于甲級(jí)。移用百丈際水庫(kù)塊區(qū)的模型參數(shù),入流河道馬斯京根流量比重x與百丈際水庫(kù)塊區(qū)相同,入流過(guò)程的河道匯流時(shí)間取1 h,泗溪斷面預(yù)報(bào)方案新安江模型參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 泗溪斷面1 h時(shí)段預(yù)報(bào)方案新安江模型參數(shù)

3 結(jié)論及建議

本文立足于中小河流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)方法,首先從集總式水文模型、分布式水文模型和其他經(jīng)驗(yàn)方法分別進(jìn)行了探討,結(jié)果認(rèn)為:集總式水文預(yù)報(bào)模型和經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)少、方便易用,在中小河流預(yù)警預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中仍然占有重要位置;分布式水文模型具有應(yīng)用潛力,但目前還不能大規(guī)模用于洪水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù);其次結(jié)合典型實(shí)例分析了中小河流預(yù)警預(yù)報(bào)方案編制的主要內(nèi)容,說(shuō)明了預(yù)警預(yù)報(bào)方法的選擇和應(yīng)用。

中小河流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)方法較多,需要根據(jù)流域能夠獲得的雨量、水文、下墊面、洪水特性、相似流域預(yù)報(bào)方案等資料情況綜合考慮選擇具體方法建立預(yù)警預(yù)報(bào)方案,方案構(gòu)建時(shí)還應(yīng)考慮上游水利工程調(diào)度對(duì)洪水預(yù)報(bào)的影響。

[1]胡彩虹,王金星.流域產(chǎn)匯流模型及水文模型[M].鄭州:黃河水利出版社,2010:35.

[2]梁犁麗,冶運(yùn)濤,龔家國(guó),等.分布式水文模型在短期水文預(yù)報(bào)中應(yīng)用的可行性探討[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào), 2013,11(3):210-215.

[3]賈仰文,王 浩.分布式流域水文模型的原理與實(shí)踐[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2005.

[4]Neitsch SL,Arnold JG,Kiniry JR,et al.Soil and Water Assessment Tool Theoretical Documentation Version 2009[R], 2011.

[4]Beven K J,Kirkby M J.A physically based variable contributing area model ofbasin hydrology[J].Hydrol Science Bulletin, 1979,24(1):43-69.

[5]Beven K J,Lamb R,Quinn P F,et al.Computer Models of Watershed Hydrology[C]//Colorado:Water Resources Publiccations,1995:627-628.

[6]Jia Yangwen,Ni Guangheng,Yoshihisa Kawahara,et al.Development of WEP Model and Its Application to an Urban Watershed[J].Hydrological Processes,2001,15:2175-2194.

[7]梁鐘元,賈仰文,李開(kāi)杰,等.分布式水文模型在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究綜述[J].人民黃河,2007,29(2):29-32.

[8]徐 華,薛恒新,錢鵬江.基于進(jìn)化學(xué)習(xí)的視覺(jué)模糊系統(tǒng)模型在水文預(yù)報(bào)中的應(yīng)用 [J].水利學(xué)報(bào),2011,42(3): 290-295.

P338+.9

A

1672-5387(2017)07-0088-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.027

2017-04-27

梁犁麗(1982-),女,高級(jí)工程師,從事水文預(yù)報(bào)與水庫(kù)調(diào)度研究工作。