雙超模型在東莊水文站控制流域洪水預報系統的應用

費曉軒

摘要：山西省東莊水文站控制流域地處半濕潤半干旱地區，流域分南、北兩支，流域洪水多為暴雨引發，但暴雨的分布不均勻，不同地區降水強度相差很大，徑流形成機制較為復雜。文章收集了東莊水文站控制流域場次暴雨洪水資料，采用劃分單元節點與雙超模型相結合的預報方法，初步建立了控制流域洪水預報系統，并采用近年洪水進行了洪峰、洪量、峰現時間精度評定，取得了較好的效果。

關鍵詞：半干旱;半濕潤;單元;節點;雙超模型

中圖分類號：S914文獻標志碼：B

1流域概況

東莊水文站位于古縣岳陽鎮東莊村洪安澗河上，屬黃河流域汾河水系，地理坐標為東經111°52′23″，北緯36°13′34″。該站集水面積987km2，斷面以上主河道長度35km，主河道平均坡度11.6‰，主要支流有古縣河和石壁河等，流域形狀系數0.806。

該控制流域水文下墊面產流地類型共有7種，分別為變質巖灌叢山地18.8km2，占集水面積的1.9%;變質巖森林山地56.3km2，占集水面積的5.7%;黃土丘陵階地282.3km2，占集水面積的28.6%;灰巖灌叢山地13.8km2，占集水面積的1.4%;灰巖森林山地156.9km2，占集水面積的15.9%;砂頁巖灌叢山地356.3km2，占集水面積的36.1%;砂頁巖森林山地102.6km2，占集水面積的10.4%。

東莊水文站控制流域內現有北節底、金堆、朱家窯和三合4處河道水位站，均為山洪站。流域內有25個雨量站，其中基本雨量站8個，中小河流雨量站5個，山洪雨量站12個。

2暴雨洪水特性

東莊水文站控制流域內降水受地形的影響很大，流域內平川少，山區多，7月～9月降雨量約占全年降雨量的60%左右，且多為暴雨。洪水主要由連續或短時強降雨誘發，且多為暴雨所致，多發生在7～8月份的主汛期。古縣境內山洪災害發生頻次較高，是本縣的主要自然災害之一。歷史上及建國后發生過多次大的山洪災害。

光緒二十一年（1895）秋陰雨，倒房無數;光緒二十三年，農歷五月大雨，澗水漲，傷人畜很多;民國二十二年（1933）農歷六月大雨連綿，河洪為災，沖沒欄石橋牌坊一座，洪水沖走（姓黃夫婦）二人;1922年縣城洪峰2350m3/s;1968年大雨，舊城南門外農田盡毀，城內段姓房屋塌，壓死女孩2人;1975年北平鎮黃家窯村藺河流域局部暴雨，沖毀道路約80米，淹沒農田40余畝;1988年7月，連日降大雨，境內公路遭到嚴重破壞;2003年4月17日，古陽鎮江水平流域局部暴雨，江水平煤礦進水，損失慘重。2009年7月19日，全縣境內普降大到暴雨，降雨量109.1mm，洪峰流量100m3/s，淹沒農田130畝，房屋受損27間，橋梁受災5座。2010年8月9日凌晨2：00時～3：00時，洪安澗河岳陽鎮城關到下冶局部突降暴雨，42戶150余口人家中進水，沖毀農田200余畝，損失慘重。

3預報系統編制方法

洪水預報系統的編制是根據已經發生或者可能發生的降雨、上游來水、土壤墑情等水文信息，采用適合該流域的模型或方法，對未來的水文要素進行預報，以便盡早采取可能措施，減少洪水災害的一項工作。東莊水文站控制流域地處半濕潤半干旱地區，流域分南、北兩支，流域洪水多為暴雨引發，但暴雨的分布不均勻，不同地區降水強度相差很大。為了充分考慮暴雨分布不均以及不同地區產流條件的不同，該系統的建立采用分單元進行產匯流計算，節點之間流量進行河道演算，進而匯聚成東莊水文站出流過程的方法，使用東莊出口斷面的洪水過程進行參數的率定。產流計算采用適用于半濕潤半干旱地區的雙超模型，由于各單元無實測水文資料，匯流計算采用綜合瞬時單位線，河道演算采用SWAI 1模型。

在收集量算東莊流域土地利用、產匯流地類、河長比降及沿程斷面特征的基礎上，采用《山西省水文計算手冊》計算雙超模型、綜合瞬時單位線、SWAI 1模型參數初值。通過實地調查走訪流域植被、河道平整情況等，對參數初值進行適當的修正。

3.1資料情況

該預報系統所選用的資料，嚴格遵守《水文情報預報規范》（GB/T22482-2008）的要求，對選用的水文站點及雨量站點資料均經過審核，具有較高的可靠性。

該次收集的資料如下：

（1）東莊水文站建站至今的洪水要素摘錄表，逐日平均流量表;

（2）永樂、高城、北平、金堆、凌云、多溝、下冶、東莊8處基本雨量站建站至今的降水量日表、降水量摘錄表;

（3）中小河流雨量站、山洪雨量站建站的雨量資料;

（4）由于東莊水文站不觀測蒸發，收集了趙城水文站建站至今的蒸發觀測資料;

（4）東莊水文站所在流域1∶5萬地形圖，高精度DEM數據;

（5）東莊水文站所在流域小流域劃分及土地利用成果。

3.2單元劃分、節點選定

結合東莊流域1∶5萬地形圖、小流域劃分成果、高精度DEM數據，綜合考慮小流域特性相近、水系完整、暴雨特性差異不大的區域劃分單元。充分運用流域內現有的水文雨量站網資料，通過水文比擬、暴雨面積加權等方法，盡可能地使每個單元都有代表性雨量資料。在北節底、金堆、朱家窯和三合4處河道水位站均劃分了單元，方便結合水位站洪水數據對單元參數的進行修正;對于部分沒有雨量站的單元選擇臨近有代表性的雨量站進行借用，該系統在東莊以上流域共劃分17個單元。

為了反映流域的連通性，分析流域洪水來源，更好地方防洪減災提供服務，在單元劃分的基礎上，進一步劃分出14個結點，用以在預報系統編制中顯示各結點的洪水信息。各單元劃分情況見表1，圖1;各單元地類情況見表2。

3.3預報系統說明

東莊水文站洪水預報系統中共有17個單元和14個節點，第1單元產匯流結果作為1001節點的流量過程;第2單元的產匯流結果作為1002節點的流量過程;1001節點流量通過河道演算與第3單元的產匯流結果疊加作為1003節點的流量過程;1002節點的流量通過河道演算與第4單元的產匯流結果疊加結果作為1004節點的流量過程;1003節點流量通過河道演算和1004節點流量疊加作為1005節點的流量過程;1005節點流量通過河道演算、第5單元的產匯流結果與第6單元的產匯流結果疊加作為1006節點的流量過程;1006節點流量通過河道演算與第7單元的產匯流結果疊加作為1007節點的流量過程;1007節點流量通過河道演算、第16單元的產匯流結果與第17單元的產匯流結果疊加1014節點的流量過程;第8單元的產匯流結果和第9單元的產匯流結果疊加作為1008節點流量過程;1008節點流量與第10單元的產匯流結果疊加作為1009節點的流量;第12單元的產匯流結果作為1010節點的流量過程。1010節點的流量通過河道演算與第13單元的產匯流結果疊加作為1011節點的流量過程。1009節點流量通過河道演算、1011節點流量與第11單元的產匯流結果疊加作為1012節點的流量過程。1012節點流量通過河道演算與第14單元的產匯流結果疊加作為1013節點的流量過程。1014節點流量通過河道演算、1013節點流量與第15單元的產匯流結果疊加作為出口斷面的流量過程，即為東莊水文站流量過程。系統流程圖見圖2。

4參數率定與精度評定

預報系統的參數率定通過實地調查，根據各個參數的物理意義與取值范圍，不斷修正參數，模擬東莊出口斷面的出流過程，與東莊出口斷面的實測洪水過程相比較，直至二者較為接近，則參數為選用值。由于近年來煤礦開發、小流域治理、河道整治、城鎮化建設等人類活動的影響，東莊所在流域下墊面發生了較大改變，早期的暴雨洪水資料很難較好的代表現狀流域特性。同時，由于早期雨量資料觀測段制較長，用于率定參數誤差較大。

根據《水文情報預報規范》（GB/T22482-2008）的規定，洪水預報系統中要有足夠代表性的場次洪水資料，濕潤地區不少于50次，干旱地區不少于25次，當資料不足時，應使用所有的洪水資料。該次數據選取2000年之后的所有的洪水資料進行了參數的率定與精度評定。

4.1參數率定

以各模型參數的計算值作為初值，經過對各組參數反復調試，對比模擬洪水過程與實測過程，選取了一組較為適合各場次洪水預報的產匯流參數，作為東莊以上流域預報參數。由于洪水場次較少，需要在今后的實踐中不斷地修訂。各場次洪水模擬對照圖見圖3～圖6，產匯流參數見表3，河道演算參數見表4。

4.2精度評定

預報系統精度評定按《水文情報預報規范》（GB/T22482-2008）進行。利用2000年之后的4場洪水進行對洪峰、洪量及峰現時間進行了精度評定。其中，洪峰許可誤差為實測洪峰的20%;洪量以實測值的20%作為許可誤差;峰現時間以預報時間至實測洪峰出現時間的時距的30%作為許可誤差，當許可誤差小于3h，以3hrs作為許可誤差。經統計，東莊水文站洪峰合格率為100%，洪量合格率為50%，峰現時間合格率為100%。東莊水文站洪峰、洪量精度評定見表5，峰現時間精度評定見表6。

由于東莊水文站可用于精度評定的洪水場次較少，率定的參數合理性需在以后不斷的驗證。待用于精度評定的場次洪水較多，統計預報方案的合格率及確定性系數，達到《水文情報預報規范》規定的等級標準時，方可進行作業預報。

5結語

5.1東莊水文站控制流域地處半濕潤半干旱地區，流域分南、北兩支，暴雨的分布不均勻，不同地區降水強度相差很大。采用分單元進行產匯流計算，節點之間流量進行河道演算，進而匯聚成東莊水文站出流過程的方法，充分考慮暴雨分布不均以及不同地區產流條件的不同，較為適合東莊水文站流域。

5.2由于可用于洪水預報系統參數率定及精度評定的場次洪水較少，系統參數的合理性需要今后不斷的驗證。

參考文獻：（略）

Application of double hypermodel in flood prediction system of Dongzhuang Hydrological Station

Fei Xiaoxuan

（Linfen Hydrology and Water Resources Survey Station， Linfen 041000， Shanxi China）

Abstract：The watershed controlled by Dongzhuang Hydrological Station in Shanxi Province is located in the semi-humid and semi-arid region. The watershed is divided into south and north branches. Most of the floods in the watershed are caused by heavy rain， but the distribution of heavy rain is not uniform， and the precipitation intensity varies greatly in different regions.In this paper， the rainstorm and flood data of dongzhuang hydrological station are collected， and the flood prediction system of the control basin is preliminarily established by combining the prediction method of divided unit node and double supermodel， and the accuracy of flood peak， flood volume and peak time is evaluated by the floods in recent years， and good results are obtained.

Keywords：semi-arid;Half wet;Unit;Node;Double super model