陜西中小河流洪水預報系統在柞水站預報的應用

陸 琪

目前中小河預報方案的編制，既是水文工作的重點，也是難點。2016年以前，陜西省商洛水文局曾試用降雨徑流相關法、單位線法等試做柞水水文站洪水預報方案，均因預報方案精度低而未能完成。2017年，陜西省中小河流預報系統建設項目全面啟動，本文以陜西省中小河流洪水預報系統為方案編制平臺，編制了乾佑河柞水水文站洪水預報方案。

1 概況

柞水水文站位于乾佑河上游河源段，乾佑河發源于秦嶺南麓海拔1500 m以上的高山區。柞水水文站以上流域面積457 km2，呈扇形，河長30.5 km，比降17‰，流域內山巒疊嶂，谷深溝峽。兩岸主要支流有黑溝、西溝、老林頭河、安溝等。流域水系及水文站雨量站網分布見圖1。

圖1 柞水水文站以上流域站網分布圖

流域屬于亞熱帶山地季風性氣候，受秦嶺對北方寒潮的阻隔，及東南部開口的掌狀山川地形影響，有利于東南及南部暖濕氣流向境內流入，成為雨水較多的區域。該流域徑流系數在0.34，多年平均降雨量780 mm左右，但年際變化大，年內分配不均，夏季為多雨季節，季降雨量占全年降水的50%左右，秋季降雨量占全年降水的27%左右。夏季致洪主要由極鋒過境時的局部暴雨形成，其特點一般是短歷時、大強度，河水陡漲陡落，極鋒過境后，本地易形成高溫伏旱。秋季致洪常是連陰雨形成，河水漲落較緩。冬春兩季是一年降雨較少的季節，兩季降雨量占全年降雨的25%左右，常為枯水期。

暴雨多發生在主汛期（7、8、9月），10月次之。洪峰匯流時間，從流域主要降雨結束到洪峰出現一般為1.5 h，有時主要降雨還沒有結束洪峰就已出現，一次洪水過程1～4 d，洪峰持續時間在 0.1～3 h。

流域處于陜南山區，氣候由亞熱帶向暖溫帶過度的地區。具有氣候濕潤，降雨量較多；山嶺面積大，土薄石多；汛期暴雨集中，下滲少，徑流多；漲水歷時短，退水歷時較長等特點。因此產流方式以蓄滿產流為主。

2 陜西省中小河流預報系統

陜西省中小河流預報系統平臺除了具備模型參數調試列表外，還增加了子流域分段數參數、場次洪水狀態變量參數和洪水量級定義等功能。該模型基本結構見圖2。

圖2 新安江模型3水源基本結構流程圖

3 流域洪水預報方案的建立

柞水斷面以上流域產流方式以蓄滿產流為主。因此可以使用中國水利水電科學研究院研發的陜西省中小河流預報系統三水源蓄滿產匯流綜合模型，在本模型中，把柞水以上斷面流域作為一個單元總體，求得流域出口流量過程。

3.1 資料的選用

本次方案編制采用柞水水文站1981年至2016年共36年的54場次雨洪配套資料，其中1981～2014年資料用于率定參數，2015～2016兩年雨洪資料用作方案的檢驗。雨量資料用黃花嶺、花門樓、老林和柞水站供4站。

3.2 歷史洪水量級的劃分

根據中水科的《陜西省中小河流洪水預報》軟件功能，首先將柞水水文站所選的54場次洪水，根據洪峰流量的大小及分布，人工定義大、中、小三級，根據下列步驟計算各場次的降雨產生的流深R。

（1）計算歷史洪水（洪峰）發生時，該站當日8時流域土壤前期影響雨量Pa；一般用下列經驗遞推公式計算：

式中，K為前期影響雨量消退系數；Pt為t日的降雨量；Pa，t為t日8時的前期影響雨量；Pa，t+1為t日的t+1日8時前的土壤前期影響雨量。

（2）計算該次洪峰發生前斷面以上主要降雨的平均降雨量p；

（3）用公式R=Pa+p-Im，計算R值。Im為該流域最大初損，經分析計算，該斷面以上流域最大初損為74 mm。

（4）根據產流深R值和人工定義的洪水等級，由歷史洪水的計算統計得出下表結論見表1，供預報時選用其相應預報方案。

表1 徑流深R與洪水量級對應表

3.3 參數率定

根據工定義的大、中、小各級洪水，分別進行參數率定，根據機器自動優選和人工相結合的方法，使實測過程與模擬過程擬合最好時的參數作為預報方案的最終率定成果。預報方案見表 2、表 3。

4 洪水預報方案編制成果

4.1 模型率定成果

分別對各次洪水的洪峰流量、洪峰出現時間按照許可誤差法進行評定，50次洪峰合格場次36次，合格率72.0%；峰現時間合格率82.0%，方案評定等級為乙等，各次洪水評定結果見附表1～表3。按照評定結果進行統計，得到柞水水文站斷面以上三水源模型法洪水預報方案總體評定，見表4。

表2 模型率定成果統計表

表3 各洪水量級子流域分段數參數值

表4 三水源模型法洪水預報方案評定結果表

4.2 模型檢驗成果

使用近年的2015～2016兩年的場次洪水資料，進行方案的精度檢驗,各次洪水精度檢驗情況見附表4，洪峰流量和峰現時間檢驗結果見表5。

表5 洪水預報方案精度檢驗結果表

4.3 模型方案的評價

由檢驗表可知，4次洪水洪峰合格率100%，為甲等；洪峰出現時間合格率75%，為乙等；方案檢驗精度指標稍優于評定指標。根據《水文情報預報規范》（GB/T22482-2008GB）的規定方案總體等級為乙等，可用于發布正式預報。

4.4 預報方案存在的主要誤差

1）部分場次洪水的產流機制與模型的產流機制不符。三水源是一種蓄滿產流模型，即土壤包氣帶土濕達到田間持水量后產流，因此當有部分洪水是由以超滲產流為主時，會出現用模型模擬量與實測值比較有偏小的情況。這種洪水多半是每年的汛初和久旱下大雨的情況；但如土壤含水量已經飽和后降雨，這時模擬量與實測值比較出現偏大的情況；

2）集總模型的不均勻產流設計模式同降雨分布很不均勻的局部產流機制不同而造成誤差，在率定過程中這類洪水出現了洪峰量值系統偏小的情況；

3）由于過去流域內雨量站較少，各雨量站點分布不均，雨量代表性較差，影響了流域面雨量的計算精度；

4）歷史降雨資料為6小時的人工觀測資料，處理成1小時的時段雨量后，用均化后的降雨過程代替實際降雨，造成計算的洪峰值偏小的情況；

5）水利工程對洪水預報的影響。上游蓄水引水壩工程,對大中洪水影響不大,但對小水有一定的影響。特別是對汛初或者久旱后降雨，計算值往往偏小。

5 結論及建議

5.1 結論

預報方案模型增加了此洪狀態變量前期氣候的影響因子和產流面積分布狀況的5個敏感參數（上層張力水蓄量WL，下層張力水蓄量WD，以及流域包氣帶自由水蓄量S以及此洪產流面積比值FR）。這些參數對調試場次洪水的合格率是很有益的，但同時也給作業預報帶來困難，因為在實際作業預報時，要根據流域實際出現的情況給這些無法觀測的參數賦值，主觀任意性大，預報成果的不確定性增加，可能同一場降水預報洪水成果會相差很大。

5.2 建議

（1）實際作業預報時盡可能增加報汛雨量站，將所有報汛雨量站全部納入面雨量計算，以提高面雨量的計算精度。

（2）當流域內出現降雨特別不均、汛初第一場降雨、久旱后下普雨等雨型時，預報會商時預報洪峰的量值要適當調小。

（3）在作業預報時應充分考慮次洪參數產生的誤差影響，可在汛期用Excel表每天用前期影響雨量經驗公式，如Pa，t+1=k（Pt+Pa，t）推算預報斷面流域以上的前期影響雨量，為次洪狀態變量參數WL、WD、和S參數賦值作參考；根據次降雨量的在流域上的分布情況、土壤前期影響雨量情況對FR確定參數值。

（4）根據柞水水文站陡漲陡落的洪水特性，因此作業預報的預見期不易過長，一般不超過2小時，以1小時為宜；可進行連續1 h滾動預報。

[1]王光生，寧方貴，肖非.實用水文預報方法[M].北京水利水電出版社，2008.

[2]GB/T 22482-2008水文情報預報規范[S].北京水利出版社，2008.