中小河流洪水預(yù)報難點及對策分析

宋尚波

(淄博市水文局，山東 淄博 255000)

科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟的發(fā)展對防洪建設(shè)提出了更高要求，大江大河無論在防洪工程設(shè)施建設(shè)，還是技術(shù)先進的洪水監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)方面都有了較大的發(fā)展，而數(shù)量眾多、分布范圍廣泛的中小河流卻仍有“大雨大災(zāi)，小雨小災(zāi)”的災(zāi)害問題[1- 3]。為提高對中小河流洪水災(zāi)害的防治，一方面加強中小河流的防洪工程設(shè)施建設(shè)，另一方面要提高水文監(jiān)測、研究開發(fā)適用的洪水預(yù)報模型，以提高中小河流洪水預(yù)報的準確度，降低洪水災(zāi)害造成的損失。

1 中小河流洪水預(yù)報的難點分析

我國有5萬多條中小河流，河流分布廣泛且地理條件復(fù)雜，中小河流流域分布著耕地良田和沿河城市。由于大肆開墾和利用中小河流流域的土地，對生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞致使水土流失嚴重，當遇到異常降雨天氣時，將誘發(fā)中小河流發(fā)生洪水災(zāi)害，嚴重危害群眾利益，制約當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展。目前，國家也相繼出臺了一系列治理中小河流的工程措施，也對中小河流水文監(jiān)測站點建設(shè)、防洪預(yù)警系統(tǒng)等非工程措施做了相關(guān)要求，但是目前洪水預(yù)報工作中仍存在較多的困難，制約了洪水預(yù)報的發(fā)展。

1.1 對中小河流洪水預(yù)報重視度不夠

中小河流分布廣泛，洪水的預(yù)報精準需要提供完善的信息數(shù)據(jù)，需建立完善的水文監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、配備專業(yè)技術(shù)人員。目前老站點缺乏有效看護、維修、運營，新站點建設(shè)沒有落實，加上高層次人才的缺乏，使得中小河流洪水的數(shù)據(jù)無法及時采集、傳輸，影響了洪水預(yù)警預(yù)報的時效性和準確性。同時由于沒有形成統(tǒng)一的中小河流洪水預(yù)報技術(shù)標準，導(dǎo)致中小河流洪水預(yù)報方案的精度和實效性難以得到保證。

1.2 數(shù)據(jù)資料不全，監(jiān)察點較少

一直以來，我們主要關(guān)注江河防汛工作，而中小河流的水文監(jiān)察預(yù)警預(yù)報工作相對滯后。目前，水文站點稀少、站網(wǎng)精密度低，中小河流流域雨量、水位、流量資料相對較少，很難依據(jù)實際完善的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立有效的中小河流洪水預(yù)報系統(tǒng)。同時，因為監(jiān)測站點較少，且站網(wǎng)精密度不能滿足要求，導(dǎo)致對雨量的監(jiān)測存在誤區(qū)、盲區(qū)，對于突發(fā)性降雨的強度等級和量度把握不準確，導(dǎo)致洪水預(yù)報系統(tǒng)結(jié)果不準確。

1.3 強降雨分布不均衡

強降雨是中小河流洪水發(fā)生的一個重要性因素，由于暴雨的空間分布存在不均衡現(xiàn)象，若水文監(jiān)測站點不完善將很難準確預(yù)測出降雨強度。比如，中小河流洪水災(zāi)害發(fā)生在河流的某段小支流，而不是河流出口的位置時，很難對該段支流雨量進行相關(guān)數(shù)據(jù)的測試，洪水災(zāi)害就很難被測知。同時加之中小河流洪水暴漲暴落，來得快去得也快，時間周期較短，增加了預(yù)警預(yù)報難度。

1.4 洪水預(yù)報模型缺乏針對性

中小河流的洪水具有季節(jié)性，汛期中小河流域洪水匯流快，成災(zāi)快，破壞性強，由于中小河流域地形、地貌、降水過程、河流的水利工程設(shè)施均不相同，所以應(yīng)根據(jù)流域洪水具體情況，選擇適合本流域的洪水預(yù)報模型。現(xiàn)有水文模型或通用水文模型應(yīng)用到中小河流洪水預(yù)報中缺乏針對性，很難全面反映河流洪水的實際情況，預(yù)報的精度也難以滿足需求。根據(jù)每條河流流域的具體情況，建立適合中小河流自身條件的預(yù)報模型，是當前中小河流洪水預(yù)報的發(fā)展方向。

2 中小河流洪水預(yù)報解決對策

為有效解決中小河流洪水預(yù)報困難的問題，首先應(yīng)建立完善的中小河流水文站點監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，以獲取中小河流完整的水文資料；其次培養(yǎng)高素質(zhì)、梯隊型水文監(jiān)測人才，提高對水文監(jiān)測資料的應(yīng)用與分析；最后基于中小河流現(xiàn)狀開發(fā)適用性的洪水預(yù)警模型。HEC-HMS模型是由美國陸軍工程兵團水文工程中心開發(fā)的一個具有物理概念的半分布式次洪降雨徑流模型[4]，其包含4個模型結(jié)構(gòu)，每個模型結(jié)構(gòu)中又包含多種子模型計算方法可供選擇，可較好適用于實測資料有限的中小河流洪水預(yù)警預(yù)報[5]。

2.1 HEC-HMS模型

HEC-HMS模型將洪水的產(chǎn)生的過程簡化為產(chǎn)流計算、直接徑流、基流、河道匯流相互獨立的4個過程，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。HEC-HMS模型將空間降雨分布的空間變異性及流域下墊面條件考慮到計算中，把河流流域劃分為若干個子流域，對每個子流域的降水過程進行模擬計算，然后將各子流域計算結(jié)果推演至流域出口處得出流域洪水參數(shù)。模型計算僅考慮河流流域降水的空間水文要素分布，對水文監(jiān)測數(shù)據(jù)、地形地貌等資料要求較低，對水文觀測資料有限的中小河流洪水預(yù)報具有較好的適用性[6- 9]。

圖1 HEC-HMS模型結(jié)構(gòu)

2.2 基于HEC-HMS的中小河流洪水預(yù)報模型構(gòu)建

2.2.1 子流域劃分

在地理空間數(shù)據(jù)云下載所研究河流流域的DEM數(shù)據(jù)，采用ARCGIS切割河流流域的DEM數(shù)據(jù)，再通過ARCGIS的拓展模塊進行填洼、水流方向計算、匯流計算、出水口選定等，確定研究河流的子流域。根據(jù)選定的子流域計算河道長度、河道平均坡度、河道坡降、中心位置、高程等子流域的基本要素，根據(jù)不同土壤的滲透系數(shù)計算每個子流域的下滲參數(shù)。

子流域數(shù)量與河網(wǎng)閾值密切相關(guān)，河網(wǎng)閾值越小表示河網(wǎng)越密集子流域的數(shù)量越多。子流域數(shù)量應(yīng)根據(jù)河流的復(fù)雜性來確定，一般山區(qū)河流比較密集，平面地區(qū)相對稀疏。理論上子流域劃分越多越能體現(xiàn)出降雨分布的不均勻性，模型結(jié)果更加精準，但若水文資料的精度不高，會導(dǎo)致模擬效果變差，因此建立子流域模型時應(yīng)根據(jù)河流具體情況選擇合適的子流域數(shù)量。

2.2.2 氣象模型

河流流域降水量多數(shù)通過分布廣泛的水文觀測站點獲取，其數(shù)據(jù)受降水的空間分布影響較大，在HEC-HMS模型的氣象模塊中選擇泰森多邊形法計算每個子流域的降水量，泰森多邊形法可根據(jù)各水文觀測站在各子流域所占的面積比重進行降雨量重分配，以削弱降水空間變異性的影響。

3 HEC-HMS模型洪水模擬預(yù)報應(yīng)用

蒙河屬與沂河水系的中小河流，起源于臨沂垛莊鎮(zhèn)，呈南北走向。蒙河屬季節(jié)性河道，年內(nèi)降水分配很不均勻，河道流量與降水量變化規(guī)律一致，枯季流量較小，洪水主要集中在汛期。根據(jù)蒙河流域的水文特性、地形、地貌等條件，對HEC-HMS模型的4種計算模塊選取合適的計算參數(shù)，建立蒙河洪水預(yù)警預(yù)報模型，并率定模型參數(shù)，詳見表1。

表1 模型方案選擇

3.1 參數(shù)初始值選擇[4,10,11]

3.1.1 初損后損法

初損后損法主要參數(shù)有流域初始損失量(mm)、穩(wěn)定滲透系數(shù)(mm/h)、流域不透水面積百分比。初始損失量主要與流域內(nèi)地形條件及降水量相關(guān)，由于相關(guān)參數(shù)離散性較大，本次模型取各雨量站產(chǎn)流開始前的累計降水平均值作為損失量的初始值。

表2 洪水實測與模擬結(jié)果分析表

穩(wěn)定滲透系數(shù)主要與土壤類型相關(guān)，蒙河流域主要為黏性土，穩(wěn)定滲透系數(shù)取1.36～1.52mm/h。

3.1.2 SCS單位線法

流域綜合無因次參數(shù)值CN為SCS單位線法唯一參數(shù)值，該值能夠客觀反映土壤及地表覆被條件對地表徑流的影響，其模型結(jié)構(gòu)簡單易用。根據(jù)流域內(nèi)的土地利用類型、水文土壤分類、前期土壤濕度，對各子流域加權(quán)平均得到各子流域的復(fù)合CN值。

3.1.3 退水曲線法

退水曲線法主要參數(shù)為峰值比、衰減系數(shù)、初始基流量。衰減系數(shù)是指當日基流與前一日基流的比值，根據(jù)流域內(nèi)洪水退水線計算，衰減系數(shù)大致可取為0.86～0.95。初始基流量值根據(jù)各次降水量值，綜合考慮土地使用類型與土壤性質(zhì)，按照流域面積分配各子流域初始基流量。

3.1.4 馬斯京根法

馬斯京根法模擬河道匯流模型的參數(shù)有槽蓄曲線坡度和流量比重因子。槽蓄曲線坡度表達穩(wěn)定流狀態(tài)下水流在河道中的傳播時間，可以根據(jù)河道長度和洪水流速的比值來初步確定槽蓄曲線坡度。流量比重因子表達河道流出量與流入量之間的關(guān)系，范圍一般為0～0.5。

3.2 結(jié)果分析

選取蒙河2008—2012年的9場洪水數(shù)據(jù)對上述4個計算參數(shù)進行率定，采用內(nèi)爾德米德優(yōu)化算法和峰值加權(quán)均方根目標函數(shù)對參數(shù)進行優(yōu)化，將率定數(shù)值代入對應(yīng)參數(shù)模型，所得模擬結(jié)果與實際水文監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計分析見表2。

根據(jù)SL 250—2000《水文情報預(yù)報規(guī)范》[12]對洪峰流量、峰現(xiàn)時差、確定系數(shù)等的要求，所選9場洪水有7場滿足要求，合格率77.8%。洪峰流量誤差在20%以內(nèi)的占比為77.8%，徑流總深誤差在20%以內(nèi)的占比為88.9%，峰現(xiàn)時差2h以內(nèi)的占比為88.9%，確定性系數(shù)0.7以上的占比為66.7%。由以上數(shù)據(jù)大致可以判斷所選擇的模型參數(shù)、模擬方案可較好的適用于蒙河洪水的預(yù)警預(yù)報。

4 結(jié)語

由于中小河流水文監(jiān)測站點網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全面，河流實測水文資料較少，對河流防洪預(yù)報造成較大困難。本文采用HEC-HMS半分布式河流洪水預(yù)報模型，其模型結(jié)構(gòu)簡單，所需參數(shù)較少，可以較好的應(yīng)用于水文資料有限的中小河流洪水預(yù)報。根據(jù)蒙河流域具體情況，選擇適合于該流域的HEC-HMS模型的計算參數(shù)，模擬結(jié)果與實際水文資料對比顯示，所選擇計算模型能夠較好地反映該河流洪水狀況。因此，在選擇河流洪水預(yù)報模型時不能照搬其他地區(qū)洪水預(yù)報模型，應(yīng)根據(jù)流域的地貌特征、土壤條件、植被覆蓋、降水類型等綜合因素，選擇符合條件的計算參數(shù)，并應(yīng)對其進行率定，以確保洪水預(yù)報模型的可靠性。