白水江流域降雨徑流預報模型的研究

胡 志 鵬

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

我國山區中小流域地貌陡峻，河道坡降大，流域降雨強度大且集中，洪水具有暴漲暴落的特點，產生的山洪災害已成為防災減災的重點[1-3]，對人民群眾的生命財產安全構成了嚴重的威脅[4-5]。

洪水預報是重要的防洪非工程措施，可靠的洪水預報是防洪決策中的重要依據[6]。水文預報系統理論模型側重模擬結果的精度，而不考慮輸入與輸出之間的物理因果關系，因此又被稱為黑箱子模型[7]，降雨徑流相關模型就是其中一種。該方法在成因分析與統計相關結合的基礎上，用每場降雨過程流域的面平均雨量和相應產生的徑流量，以及影響徑流形成的主要因素建立起來的一種定量的經驗關系[8]。相關降雨徑流研究結果表明[9]，降雨徑流預報方法簡單，具有一定的精度，在實際工作中應用較為廣泛[10]。

白水江流域地處岷山山脈東部，流域洪水主要由降雨形成，洪水出現的時間與降雨相應，年最大洪峰流量均出現在5～10月，主要發生在7～9月。流域建有水情自動測報系統，能實時采集流域相應位置水雨情信息。其中上游建有大錄水文站，控制集水面積1 191 km2，地理位置位于東經103°41.471′，北緯33°35.369′，現有水位、流量、降雨等觀測項目。水文站以上流域建有卡美、亞隆及神仙池雨量站。研究根據大錄水文站及上游雨量站的前期水文資料，建立降雨徑流水文模型，進行水文站斷面洪水預報。

2 產匯流時間分析

大錄水文站以上流域面積為1 191 km2，大錄水文站上游流域水系圖見圖1。采用泰森多邊形法，利用ArcGIS將流域劃分為4個子流域，并計算大錄水文站以上流域面小時平均雨量。卡美、亞隆及神仙池雨量站分別距大錄水文站的河道距離為23.679 km、29.489 km及19.264 km。

圖1 大錄水文站上游流域水系圖

大錄水文站2005年至2020年汛期共計261次測流數據，平均流速為1.76 m/s，最大流速為3.2 m/s(相應流量為72.6 m3/s)，最小流速為0.93 m/s(相應流量為10.1 m3/s)。根據河道距離與流速計算卡美、亞隆及神仙池雨量站區域至大錄水文站斷面的河道匯流平均時間分別約為1.9 h、2.3 h及1.8 h。研究表明九寨溝林下地表徑流產流時間在38～72 min之間[11]。綜上，計算得到大錄水文站上游流域產匯流平均時間約為2.8 h，以此篩選研究流域內小時降雨及徑流資料。

通過篩選及整編分析，選擇2017年、2020年的小時降雨事件前后3 h無降雨發生的典型時段數據，分析降雨發生時段距大錄水文站測驗斷面洪峰發生的時間。大錄水文站上游流域發生降雨，且降雨發生前后3 h無其他降雨發生，水文站斷面距降雨發生時段后平均3 h出現洪峰。已有的產流時間研究成果結合河道距離、流速計算得到的峰現時間與實測降雨徑流資料分析結果一致。大錄水文站測驗斷面在上游發生降雨，水文站測驗斷面平均峰現時間為3 h。2017年7月15日和2020年8月8日大錄水文站峰現時間分析圖見圖2、3。

圖2 2017年7月15日大錄水文站峰現時間分析圖

圖3 2020年8月8日大錄水文站峰現時間分析圖

3 降雨徑流預報模型

3.1 降雨徑流關系分析

3.2 綜合洪水退水曲線提取

流域降雨徑流預報方案的建立是以實測資料為依據，綜合洪水退水曲線的提取應根據流域歷年實測洪水退水段流量資料。根據豐、平、枯水平年實測資料情況，按照20 m3/s至150 m3/s洪峰流量級，選擇大錄水文站實測小時退水流量過程數據進行分析，洪水場次選擇明細表見表1。

表1 洪水場次選擇明細表

將上述洪水退水段流量點繪在一張圖上，在水平方向上移動各次洪水退水段，使其尾部重合，作外包線并進行相關修正，即為大錄水文站斷面洪水綜合退水曲線，大錄水文站斷面洪水綜合退水曲線圖見圖4。

圖4 大錄水文站斷面洪水綜合退水曲線圖

3.3 預報方案建立

4 預報檢驗

選擇“2012/08/20”“2014/05/22”“2014/05/23”“2014/05/26”“2021/09/19”“2021/09/27”“2021/10/06”7場洪水流量過程作為檢驗樣本，對降雨徑流預報模型進行檢驗，得到7場洪水預報過程，洪水流量過程預報誤差分析見表2，洪峰流量預報誤差分析見表3。洪水流量過程絕對誤差、相對誤差最大值分別為11.04 m3/s、44.5%，均出現在2014年5月26日場次洪水；絕對誤差、相對誤差平均值分別小于2 m3/s、5%；確定性系數的平均值為0.93。各場洪水的實測洪峰流量與預報洪峰流量的絕對誤差、相對誤差分別6.7 m3/s、11.49%，分別出現在2021年10月6日、2021年5月23日場次洪水；相對誤差均在12%以內，預報精度符合規范要求。洪水過程及洪峰流量預報效果較好。

表2 洪水流量過程預報誤差分析表

表3 洪峰流量預報誤差分析表

5 結 語

以白水江流域為研究對象，結合流域水情系統，面向生產實際，研究大錄水文站5～10月的小時降雨徑流關系，建立預報模型。模型采用水文站建設以來的2006～2020年逐時流量和降雨資料進行模型參數率定和檢驗。該方法實現了大錄水文站斷面的實時徑流預報，為白水江梯級水電站充分利用水資源、防洪減災、發電計劃等提供參考。