預(yù)報模型在典型中小河流洪水預(yù)報中的應(yīng)用

董向

(廣東省水文局肇慶水文分局，廣東 肇慶 526060)

0 前言

防汛始終是水文工作的重中之重，洪水預(yù)報是水文工作的重要窗口之一。通過水文工作者長期不懈的努力，大江大河洪水預(yù)報取得了巨大的進展，預(yù)報技術(shù)成熟，但在中小河流洪水預(yù)報方面，由于點多面廣，水文資料短缺，預(yù)報技術(shù)尚未成熟，中小河流洪水預(yù)報變成了近些年水文工作的重點和難點。中洲河大象站為典型中小河流站，以廣東省中小河流洪水預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)為平臺，利用歷史實測資料，建立傳統(tǒng)相關(guān)圖模型和新安江模型預(yù)報方案，并對建立的方案進行精度評定，利用近3年場次洪水進行模擬預(yù)報，分析模型的適用性，為該地區(qū)中小河流洪水預(yù)報提供參考。

1 流域概況

中洲河位于懷集縣北部，屬于綏江干流的上游，發(fā)源于清遠市連山縣的擒鴉嶺，集水面積908 km2，河長77 km，平均河床坡降2.26‰，屬暴雨高值區(qū)，多年平均降雨量1 800～2 400 mm。流域內(nèi)100 km2以上的支流有小三江水、上帥水、白竹坑水，地貌多為山區(qū)、丘陵，植被較好，與馬寧水在懷城鎮(zhèn)匯合流入綏江。流域內(nèi)無大中型水庫，干流上建有中洲水庫、焦平電站等一批小水電項目，支流上帥水下游建有若干水利工程，包括水庫和若干梯級電站。

大象水文站位于肇慶市懷集縣懷城鎮(zhèn)大象村，設(shè)站于1956年11月，集水面積879 km2，為北江中下游地區(qū)水文分區(qū)的區(qū)域代表站，同時也是中洲河控制站，屬省級重要水文站，該站測驗斷面順直、穩(wěn)定，水位流量關(guān)系多呈單一曲線。洪水主要由鋒面雨形成，多在5-7月出現(xiàn)，一般年份有5～6場中高水位洪水，洪水峰高，暴漲暴落，漲落歷時較短，屬典型中小河流站。

2 理論基礎(chǔ)

自然界中的水文現(xiàn)象，是一種由眾多因素相互作用的復(fù)雜過程。為了研究這一復(fù)雜過程的規(guī)律，水文工作者和科學(xué)家一直在不斷的探索研究。近年來，為了研究降雨徑流的關(guān)系，通過建立模型，去模擬復(fù)雜水文過程，以探求其中的規(guī)律，人們開發(fā)了很多水文模型。在洪水預(yù)報中，常用的水文模型有相關(guān)圖模型、新安江模型、單位線和API模型等。

采用的平臺為廣東省中小河流洪水預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)是廣東省水文局委托長江水利委員會水文局對廣東省200～3 000 km2的中小河流，結(jié)合南方地區(qū)水文、氣象、地理等特點開發(fā)的集查詢、建模、預(yù)報、會商為一體的洪水預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)。文章以中洲河大象水文站為典型中小河流站，通過該系統(tǒng)，根據(jù)歷史實測資料，建立傳統(tǒng)相關(guān)圖模型和新安江模型預(yù)報方案，并運用方案對該站近3年場次洪水進行模擬預(yù)報，統(tǒng)計預(yù)報方案的精度，分析模型的適用性，為同類型中小河流洪水預(yù)報提供參考。中洲河水系及站點分布見圖1。

圖1 中洲河水系及站點分布圖

2.1 相關(guān)圖模型

相關(guān)圖洪水預(yù)報模型是一種傳統(tǒng)而直觀的洪水預(yù)報方法，具有信息量大、物理成因好、使用簡易等優(yōu)點，在某些地區(qū)的預(yù)報精度甚至比計算機水文產(chǎn)匯流模型精度更好，因此在洪水預(yù)報的實踐中，仍然發(fā)揮了重要的作用，與其他水文預(yù)報模型一起為洪水預(yù)報提供有力支持。傳統(tǒng)意義上的相關(guān)圖模型，以圖形方式表述，根據(jù)相應(yīng)水位(流量)預(yù)報原理，依據(jù)流域上下游站點之間的實測資料建立起來的相應(yīng)關(guān)系，利用相關(guān)圖，就可以根據(jù)已知數(shù)據(jù)(降雨、水位、流量)，查詢預(yù)報站點的預(yù)報水位(流量)。文章采用的為上游降雨為輸入，預(yù)報站點洪峰水位為輸出的相關(guān)圖模型。

2.2 新安江模型

新安江模型是趙人俊等在1973年對新安江水庫做入庫流量預(yù)報工作中，歸納成的一個完整的降雨徑流模型。最初的模型為兩水源(地表徑流和地下徑流)，后來，相繼提出了三水源和四水源的新安江模型。模型主要由4部分組成，即蒸散發(fā)計算、蓄滿產(chǎn)流計算、流域水源劃分和匯流計算。廣東省中小河流洪水預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)中，新安江模型相關(guān)主要參數(shù)意義及取值范圍如下(詳見表1)。

表1 新安江模型相關(guān)主要參數(shù)意義及取值范圍(廣東省中小河流洪水預(yù)報預(yù)警系統(tǒng))

3 預(yù)報方案構(gòu)建

3.1 資料選擇

根據(jù)大象站的歷史實測資料情況，選取2004—2014年資料供方案編制，選取2018—2020年實測洪水場次資料用于模擬預(yù)報計算，檢驗精度評定方法按照《水文情報預(yù)報規(guī)范》標準。綜合考慮流域集水面積和產(chǎn)匯流特性，取1 h為預(yù)報方案的計算時段長。

由于流域內(nèi)無蒸發(fā)監(jiān)測站點，蒸發(fā)資料系列借用相近的賀江南豐站多年月平均日蒸發(fā)量(見表2)。

表2 南豐站多年月平均日蒸發(fā)量表 單位：mm

大象站以上流域共有9個雨量站(包括水文站)，通過分析各站數(shù)據(jù)的可靠性和資料系列同步性，選取長久、加田、小三江、白竹坑、上帥、下帥、中洲、大象8站為雨量計算站點，采用泰森多邊形計算權(quán)重系數(shù)(見表3)。

表3 大象站斷面以上流域雨量站及權(quán)重表

3.2 方案構(gòu)建

相關(guān)圖模型：模型構(gòu)建采用上游降雨為輸入，預(yù)報站點洪峰水位為輸出的相關(guān)圖模型，共選取25場洪水建立相關(guān)圖方案(見圖2)，由于系統(tǒng)自動生成峰時曲線不合理，采用人工分析，修正峰時相關(guān)圖。通過場次洪水對該方案進行精度評定(見表4)。

表4 大象站相關(guān)圖模型精度統(tǒng)計表

圖2 大象站洪峰水位預(yù)報圖

新安江模型：通過次洪樣本選取-初始值設(shè)置-參數(shù)優(yōu)選-參數(shù)調(diào)整-次洪精度統(tǒng)計，優(yōu)選模型參數(shù)(見表5)，根據(jù)南方地區(qū)河流特性，結(jié)合流域特性，方案的參數(shù)基本符合要求。根據(jù)優(yōu)選的模型參數(shù)模擬計算各次洪樣本流量過程，并對洪峰、峰現(xiàn)時間、過程水量的相對誤差進行統(tǒng)計，最終以確定性系數(shù)評定總體效果(見表6)。

表5 新安江模型優(yōu)選參數(shù)結(jié)果表

表6 新安江模型精度統(tǒng)計表

4 預(yù)報模型應(yīng)用分析

為檢驗所建立方案在洪水預(yù)報中的適用性，選取2018—2020年7場洪水過程進行模擬預(yù)報計算(允許誤差依據(jù)《水文情報預(yù)報規(guī)范》標準)，并進行預(yù)報合格率統(tǒng)計。模擬預(yù)報計算選取造峰雨結(jié)束時刻為開展預(yù)報時間，兩種模型洪水模擬預(yù)報計算結(jié)果和模型方案特點見表7、表8和圖3。

表7 相關(guān)圖模型和新安江模型洪水模擬計算結(jié)果統(tǒng)計表

表8 大象站相關(guān)圖模型和新安江模型預(yù)報方案特點表

圖3 2020年6月上旬大象水文站洪水過程模擬預(yù)報成果圖(新安江模型)

5 小結(jié)

相關(guān)圖模型和新安江模型在典型中小河流站洪水預(yù)報中，均具備一定的參考價值，且各有優(yōu)勢，在實際預(yù)報中需根據(jù)預(yù)報的目的和需求，選擇相應(yīng)的預(yù)報模型，以取得最優(yōu)預(yù)報結(jié)果。

選取構(gòu)建方案的洪水過程均為單峰型，且資料系列不完整(2015—2017年資料系列缺少)，預(yù)報方案在復(fù)峰或復(fù)漲型洪水模擬預(yù)報中表現(xiàn)一般，仍需增加樣本數(shù)量，優(yōu)化模型參數(shù)，提高預(yù)報方案的合格率。且歷史洪水進行模擬預(yù)報計算不能代表實際預(yù)報作業(yè)，預(yù)報方案在防汛實戰(zhàn)中的適用性仍待進一步驗證。

由于資料所限，方案建立中未進行洪水場次分類，在模擬預(yù)報計算中未進行歷史相似洪水對比分析，后續(xù)加入相關(guān)內(nèi)容，將能有效提高方案的實用性。

水利工程對河流行洪影響程度有待進一步研究，流域內(nèi)水庫、梯級電站改變了河道的天然水文特性，干擾了河道行洪規(guī)律，尤其在中小洪水中，影響顯著。在實際洪水預(yù)報中，需熟悉流域特性，適當調(diào)整預(yù)報模型相關(guān)參數(shù)，才能取得更高的預(yù)報精度。

建立的預(yù)報方案相關(guān)參數(shù)對南方地區(qū)山區(qū)性河流洪水預(yù)報具有一定借鑒和參考意義，為南方無資料地區(qū)中小河流洪水預(yù)報提供了參考。