濟寧市山丘區小流域山洪預報方案探討

劉 馳 趙長河 李亞男

一、引言

按照水文氣象資料條件，山東省濟寧市山洪災害防治區小流域可以分為三類：（1）有詳細資料小流域；（2）無資料小流域；（3）有短系列降雨資料小流域。其中有詳細歷史雨洪資料小流域數量極少，多數是無資料和有較短系列降雨資料小流域，且短系列資料也多數是新建站點，積累的降雨場次資料相對較少。

可應用于濟寧市山丘區小流域山洪預報的方法，產流方案有降雨徑流相關圖、初損后損法，匯流方案有推理公式法、瞬時單位線法和經驗公式法等，另外還有分布式水文模型HEC-HMS。

二、無資料小流域山洪預報方法

目前，濟寧市大部分山區小流域屬于缺少歷史水文資料的區域，因此其山洪預報大多數屬于無資料地區的山洪計算問題。

山區洪水的大小除了與降雨總量、降雨強度有關外，還與流域土壤飽和程度或前期影響雨量密切相關。當土壤較干時，降水下滲大，產生地表徑流則小；反之，如果土壤較濕，降水入滲少，形成地表徑流大。隨著流域土壤飽和程度的變化，山洪預警臨界警戒雨量值也會隨之發生變化。因此，基于流域土濕實時動態的山洪預警方法研究很有必要。

流域平均土壤含水量也是決定產流過程的重要因子，是流域調蓄作用的門檻值，而山洪評價中普遍使用的《山東省水文圖集》里的流域平均蓄水容量（60mm）是偏小的，據有關研究結論，該數值在半干旱半濕潤的山東地區應約為80～100mm。

基于濟寧市山洪防治區內幾十個小流域的山洪評價分析以及典型小流域的多種方法比較及洪水驗證研究，發現降雨徑流相關圖與推理公式法結合可以較好地進行濟寧市無資料小流域的暴雨洪水計算。但《山東省水文圖集》中的降雨徑流相關圖已歷史久遠，已難以匹配近40年人類活動和氣候變化導致的水文響應規律的變化，亟需更新。

另外，在HEC-HMS軟件系統中，選擇SCS曲線法或初損后損法、SCS單位線及運動波方法，也可以較好地進行無資料地區的山洪模擬，不過該方法對水文模擬經驗的要求較高。

三、有短系列降雨資料小流域的山洪預報方法

山丘區小流域多處在監測站點控制范圍之外，所以大多數都沒有實測的降雨流量等資料。對于有短期資料但周邊沒有可參考站的小流域的暴雨參數，可以通過山東省水文圖集進行查算。

當少資料小流域附近有具有實測資料的雨量站時，可以通過降雨數據的插補延長和空間插值，得到目標小流域降雨數據。降雨數據的插補展延一般采用近期的多站平均雨量與同期少站平均雨量建立相關關系，如相關關系好，可利用相關線進行插補展延。

由于山區多有地形雨發生，導致山丘區降雨的空間分布特征與地形等要素的地理空間分布具有密切的關聯，因此，綜合分析各種插值方法的原理，地質統計學中的克里格插值法是最優選擇，推薦使用考慮地形因子的克里格插值方法，引入地面高程信息作為影響降雨的第二控制因素，進行短系列降雨資料的插補延展，從而獲得足夠長度的降雨序列，再推求相應的設計暴雨。

基于濟寧市山洪防治區內幾十個小流域的山洪評價分析，以及典型小流域的多種方法比較及洪水驗證研究，推理公式法比較適合應用于濟寧市山丘區小流域的暴雨洪水計算，而瞬時單位線法和經驗公式法計算結果往往偏大。

在設計洪水的計算中，宜選擇降雨徑流相關圖法（或初損受損法）和推理公式法結合，進行暴雨洪水計算。對有經驗的工作人員，也可以選擇適用于無資料地區的水文模型方法，比如HEC-HMS軟件系統中的“SCS曲線法+SCS單位線+運動波”方法組合。

四、有長系列資料的小流域山洪預報方法

對于有詳細水文氣象資料的山區小流域，可以直接依賴歷史水文氣象實測資料，通過參數率定和驗證構建流域水文模型進行山洪預報，比如使用HEC-HMS模型系統。

隨著濟寧市山洪災害防治項目的開展，山洪預警非工程措施的建設，水文站網正在逐漸完善，并將達到對全市山丘區的全面覆蓋。高密度的水文站網將大大提高流域面雨量的估算精度，未來衛星云圖、天氣雷達估計降雨技術的應用也將在一定程度上彌補地面監測站網的不足。

隨著這些高精度水文氣象數據的逐漸積累，山洪防治區的基礎水文氣象資料在未來幾年將發生實質性的改變，為引入更加精確的山洪計算方法提供了堅實的數據基礎。當山洪觀測數據有一定積累時，可進一步修正傳統經典計算方法的參數，使其更加本地化、實用化；同時研發先進的分布式山洪實時預報模型，吸收遙感和地理信息系統技術帶來的新鮮數據源，應用多源降雨信息融合、數字高程模型（DEM）等技術，結合山洪易發地區的地形、地貌、土壤植被、土地利用類型等流域特征，建設山洪災害防治信息化及智慧型系統，進行大范圍、高精度的山洪預警預報。在山洪預警體系中，整合氣象預報、山洪預警物聯網和計算機實時預警軟件系統，爭取防御山洪災害的主動性，實現山洪早期預警。

五、結論

（1）對無實測降雨資料或系列較短的山丘區小流域，設計洪水的計算中，宜選擇降雨徑流相關圖法（或初損受損法）和推理公式法結合，進行暴雨洪水計算。

（2）對于有詳細水文氣象資料的山區小流域，可以直接依賴歷史水文氣象實測資料，通過參數率定和驗證，構建流域水文模型進行山洪預報，比如使用HEC-HMS模型系統。

（3）HEC-HMS模型系統的部分方法比較適用于濟寧市山丘地區小流域的暴雨洪水計算,但考慮到其對資料的要求比較高，且相對于傳統方法，其建模過程相對復雜，故只推薦在有條件的情況下使用。在一般情況下，降雨徑流相關圖（或初損后損法）和推理公式法結合即可滿足要求