漓江流域上游洪水預(yù)報(bào)方案研究與應(yīng)用

陳立華，馮世偉，鄧芳芳

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西南寧530004;2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004;3.廣西南寧水利電力設(shè)計(jì)院， 廣西南寧530004; 4.廣西南寧禹道水利科技有限公司)

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漓江流域上游洪水預(yù)報(bào)方案研究與應(yīng)用

陳立華1,2，馮世偉3，鄧芳芳1,4

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西南寧530004;2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004;3.廣西南寧水利電力設(shè)計(jì)院， 廣西南寧530004; 4.廣西南寧禹道水利科技有限公司)

漓江流域上游是廣西山洪災(zāi)害多發(fā)區(qū)中較嚴(yán)重的流域之一，為了對(duì)漓江流域上游防洪減災(zāi)提供技術(shù)上的支持，根據(jù)漓江流域上游的水文資料、地形地貌及氣候特征，構(gòu)建漓江流域上游三水源新安江模型洪水預(yù)報(bào)方案。選取2008～2013年的27場(chǎng)洪水作為率定期洪水，2014～2015年8場(chǎng)洪水作為驗(yàn)證期洪水進(jìn)行降雨徑流模擬。模擬計(jì)算結(jié)果表明：率定期模擬合格率為85.2%，平均確定性系數(shù)為0.850；驗(yàn)證期合格率為87.5%，達(dá)到甲級(jí)精度，平均確定性系數(shù)為0.87，達(dá)到乙級(jí)精度。模擬結(jié)果的分析表明，三水源新安江模型適用于漓江流域上游且取得較好的模擬結(jié)果，可為漓江流域上游洪水作業(yè)預(yù)報(bào)提供參考。

洪水預(yù)報(bào)；漓江流域上游；新安江模型

漓江流域上游因復(fù)雜的地質(zhì)與水文條件導(dǎo)致山洪災(zāi)害頻發(fā)，是廣西山洪災(zāi)害多發(fā)區(qū)中較嚴(yán)重的流域之一。新安江模型是趙人俊等[1]在1973年對(duì)新安江水庫(kù)做入庫(kù)流量預(yù)報(bào)工作中提出的研究成果，模型自提出以來(lái)得到廣泛應(yīng)用，特別是在南方濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)地區(qū)，研究工作取得了豐碩的成果[2-7]。本研究以漓江流域上游為研究對(duì)象,基于新安江模型構(gòu)建漓江流域上游的科學(xué)合理的洪水預(yù)報(bào)方案，為該流域防洪減災(zāi)提供理論與方法支持。

1　流域概況

漓江流域上游位于桂林水文站以上，集水面積2 785 km2，平均海拔150 m，河段干流長(zhǎng)105 km，其中，流經(jīng)市區(qū)河段長(zhǎng)4.93 km。流域整個(gè)地勢(shì)由西北向東南傾斜，呈北高南低，特殊的地勢(shì)使得流域內(nèi)降水比較豐沛，該流域上游是廣西三大暴雨中心之一。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均降雨量1 889.4 mm，汛期在3～8月，汛期降雨量占年降水量的75%左右，汛期內(nèi)流域降水較多，從而導(dǎo)致流域內(nèi)水災(zāi)頻繁。

2　模型原理與結(jié)構(gòu)

新安江模型的建模思路：當(dāng)流域面積較小時(shí)，新安江模型采用集總模型；當(dāng)流域面積較大時(shí)，采用分塊模型[8]。將流域分成若干自然子流域作為計(jì)算單元，計(jì)算每一個(gè)子流域的產(chǎn)流量，以及子流域內(nèi)的坡面匯流，然后將各子流域的出流在對(duì)應(yīng)河道上進(jìn)行河道洪水演算，直至流域出口斷面，進(jìn)而求得流域的出口流量過(guò)程。模型計(jì)算包括蒸散發(fā)計(jì)算、蓄滿產(chǎn)流計(jì)算、流域水源劃分和匯流計(jì)算四部分。

圖1　蓄水容量曲線Fig.1　Storagecapacity curve

①蒸散發(fā)計(jì)算。采用三層蒸散發(fā)計(jì)算模型，其計(jì)算思路：流域蒸散發(fā)先從上層蒸發(fā)開始，當(dāng)上層含水量不夠蒸發(fā)時(shí)則由下層蒸發(fā)，當(dāng)下層水量不夠蒸發(fā)時(shí)則用深層水補(bǔ)給[9]。

②產(chǎn)流計(jì)算。按照蓄滿產(chǎn)流模式計(jì)算降雨產(chǎn)生的總徑流量，采用流域蓄水容量曲線，并考慮下墊面不均勻?qū)Ξa(chǎn)流面積變化的影響。由于土壤濕度在面上分布不均勻，因此產(chǎn)流面積是變化的。為此在新安江模型中引進(jìn)了張力水蓄水容量曲線[10]，把流域內(nèi)各點(diǎn)的蓄水容量概化成一條拋物曲線，如圖1所示。

產(chǎn)流計(jì)算公式為：

(1)

③流域水源劃分。采用一個(gè)自由水蓄水庫(kù)進(jìn)行水源劃分的方式，按蓄滿產(chǎn)流模型計(jì)算出的產(chǎn)流量R進(jìn)入自由水蓄水庫(kù)后，分成地面徑流(RS)、壤中流(RSS)和地下徑流(RG)。其中，壤中流(RSS)和地下徑流(RG)再經(jīng)過(guò)地下水庫(kù)調(diào)蓄可分別得到壤中流對(duì)河網(wǎng)的總?cè)肓?TRSS)和地下徑流對(duì)河網(wǎng)的總?cè)肓?TRG)[11]。采用新安江模型核心曲線之一的流域自由水蓄水容量曲線來(lái)描述流域內(nèi)自由水蓄水容量在產(chǎn)流面積上分布不均勻的現(xiàn)象[12]。

④匯流計(jì)算。分為3個(gè)階段進(jìn)行，即坡地匯流階段、河網(wǎng)匯流階段和河道匯流階段。

地面徑流RS直接進(jìn)入河網(wǎng)，其計(jì)算公式為：

TRS(t)=RS(t)·U。

(2)

壤中流RSS與地下徑流RG均用線性水庫(kù)模擬，壤中流消退系數(shù)為KKSS，地下徑流退系數(shù)為KKG。壤中流RSS與地下徑流RG計(jì)算公式為 ：

TRSS(t)=TRSS(t-1)·KKSS+RSS(t)·(1-KKSS)·U，

(3)

TRG(t)=TRG(t-1)·KKG+RG(t)·(1-KKG)·U，

(4)

TR(t)=TRS(t)+TRSS(t)+TRG(t)，

(5)

式中，U為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，U=A/(3.6Δt)；A為流域面積(km2)；Δt為計(jì)算時(shí)段(h)。

單元面積的河網(wǎng)匯流是指水流由坡面進(jìn)入河槽后繼續(xù)沿河網(wǎng)的匯集過(guò)程，采用無(wú)因次時(shí)段單位線模擬水體從進(jìn)入河槽到單元出口的河網(wǎng)匯流[13]，其計(jì)算公式為：

(6)

式中，Q(t)為單元出口處t時(shí)刻的流量值，UH為無(wú)因次時(shí)段單位線；N為單位線的歷時(shí)時(shí)段數(shù)。

河道匯流采用馬斯京根法[14-15]。

3　模型構(gòu)建

3.1子流域劃分及預(yù)報(bào)框架圖

不同的分辨率對(duì)于流域的匯流時(shí)間是不同[16]，根據(jù)漓江流域上游的具體情況，基于DEM(90 m×90 m)，應(yīng)用GIS將該區(qū)域劃分為12個(gè)子流域，其分布與編號(hào)如圖2所示。

圖2　漓江流域上游子流域及上游泰森多邊形劃分圖

12個(gè)子流域中需進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算的有10個(gè)，根據(jù)子流域劃分情況編制漓江流域上游的新安江模型預(yù)報(bào)方案，如圖3所示。其中，4號(hào)子流域出口處為大型水庫(kù)——青獅潭水庫(kù)，直接采用青獅潭水庫(kù)實(shí)測(cè)出庫(kù)流量資料作為研究區(qū)輸入信息；9號(hào)子流域主河道為靈渠——溝通了漓江與湘江的人工渠道，采用流域出口處?kù)`渠水文站實(shí)測(cè)徑流資料作為研究區(qū)輸入信息。

圖3　新安江模型預(yù)報(bào)方案框圖

3.2水文數(shù)據(jù)

本研究收集與整編了桂林、廟頭、青獅潭、川江、華江、硯田、高寨、鯉魚塘、清水江、嚴(yán)關(guān)、司門、三街等12個(gè)雨量站2008～2015年8年的降雨數(shù)據(jù)，靈渠、桂林兩個(gè)水文站2008～2015年8年的流量數(shù)據(jù)，青獅潭水庫(kù)站2008～2015年8年的出庫(kù)流量數(shù)據(jù)以及桂林氣象站2008～2015年8年的蒸發(fā)數(shù)據(jù)。根據(jù)雨量站網(wǎng)劃分的泰森多邊形結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)泰森多邊形劃分結(jié)果，采用雨量權(quán)重法計(jì)算流域平均面量，其計(jì)算公式為：

(7)

3.3子流域單位線推求

圖4　潮田站控制流域單位線Fig.4　unit hydrograph of ChaoTian watershed

由于缺少各個(gè)子流域出口處的實(shí)測(cè)流量資料，因此無(wú)法利用降雨徑流資料推求各小流域的單位線，本研究嘗試了兩種單位線的推求方法。第一種方法采用《廣西壯族自治區(qū)暴雨徑流查算圖表》的有關(guān)方法、公式和參數(shù)。根據(jù)《廣西壯族自治區(qū)暴雨徑流查算圖表》匯流分區(qū)圖，并根據(jù)《廣西壯族自治區(qū)暴雨徑流查算圖表》中列舉的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。但在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)計(jì)算合格率僅為18.5%，誤差較大。第二種方法選取了臨近漓江流域上游的1個(gè)小流域，該流域由潮田水文站控制流域面積326.11 km2。根據(jù)流域內(nèi)2015年的實(shí)測(cè)降雨和流量資料推求該流域的瞬時(shí)單位線，如圖4所示，并根據(jù)漓江流域上游各子流域?qū)嶋H情況對(duì)單位線進(jìn)行修正，經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算應(yīng)用效果較好。因此，本次研究采用第二種方法推求各子流域單位線。

4　應(yīng)用實(shí)例

4.1模型精度評(píng)定指標(biāo)

根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》[17]的相關(guān)規(guī)定，以洪量誤差(REv)、洪峰流量誤差(REp)、峰現(xiàn)時(shí)間誤差(ΔT)作為率定參數(shù)的評(píng)定指標(biāo)，對(duì)模型的模擬精度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，規(guī)范規(guī)定徑流總深誤差的許可誤差不超過(guò)實(shí)測(cè)徑流總深的20%，洪峰流量誤差的許可誤差不超過(guò)實(shí)測(cè)洪峰流量的20%，峰現(xiàn)時(shí)間誤差在±3 h。通過(guò)預(yù)報(bào)場(chǎng)次的合格率(QR)和確定性系數(shù)(DC)綜合確定預(yù)報(bào)項(xiàng)目精度等級(jí)。

4.2模型參數(shù)

本研究根據(jù)2008～2013年率定期27場(chǎng)洪水，采用人工率定的方法進(jìn)行參數(shù)率定，得出適用于漓江流域上游新安江模型及馬斯京根法參數(shù)見表1、表2。

表1　新安江參數(shù)表Tab.1　Paratemters of Xin’an jiang model

表2　馬斯京根法參數(shù)表Tab.2　Paratemters of Muskingum

4.3模擬結(jié)果

根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》模型精度評(píng)定指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。模擬計(jì)算結(jié)果如表3所示，部分模擬徑流過(guò)程線如圖5～圖8所示。

表3　新安江模型模擬結(jié)果Tab.3　The simulation results of xin’an jiang model

續(xù)表3

時(shí)期序號(hào)降雨場(chǎng)次模擬徑流總深/mm實(shí)測(cè)徑流總深/mm徑流總深誤差/%實(shí)測(cè)洪峰/(m3·s-1)預(yù)報(bào)洪峰/(m3·s-1)洪峰流量誤差/%峰現(xiàn)誤差1/h確定性系數(shù)DC是否合格驗(yàn)證期12014040573.9383.64-11.606396847.0300.861是220140701179.12203.27-11.88287029141.5500.917是320140615116.64139.02-16.101180996-15.5720.766是420140508126.57171.05-26.0021801831-16.0250.754否52015050822.6426.88-15.76599598-0.1700.836是62015051146.0446.46-0.92113011774.1330.941是72015051597.2695.981.331740193811.3610.935是820150608224.54212.715.56222023445.6120.952是

注：表中峰現(xiàn)誤差負(fù)值表示模擬峰現(xiàn)時(shí)間相對(duì)實(shí)測(cè)峰現(xiàn)時(shí)間提前，正值表示模擬峰現(xiàn)時(shí)間相對(duì)實(shí)測(cè)峰現(xiàn)時(shí)間滯后。

圖520100612場(chǎng)次洪水降雨—徑流模擬結(jié)果

Fig.5Rainfall-runoff simulation results in flood NO.20100612

圖620120502場(chǎng)次洪水降雨—徑流模擬結(jié)果

Fig.6Rainfall-runoff simulation results in flood NO.20120502

圖720140701場(chǎng)次洪水降雨—徑流模擬結(jié)果

Fig.7Rainfall-runoff simulation results in flood NO.20140701

圖820150608場(chǎng)次洪水降雨—徑流模擬結(jié)果

Fig.8Rainfall-runoff simulation results in flood NO.20150608

由表3可看出，率定期27場(chǎng)洪水合格率為85.2%，達(dá)到甲級(jí)精度；平均確定性系數(shù)為0.850，達(dá)到乙級(jí)精度。驗(yàn)證期8場(chǎng)洪水合格率為87.5%，達(dá)到甲級(jí)精度，平均確定性系數(shù)為0.87，達(dá)到乙級(jí)精度。

5　結(jié)　語(yǔ)

本研究結(jié)合DEM與ARCGIS地理信息系統(tǒng)軟件進(jìn)行子流域劃分、子流域面積計(jì)算、泰森多邊形劃分以及雨量權(quán)重的計(jì)算等，構(gòu)建了新安江模型洪水預(yù)報(bào)方案。通過(guò)2008～2013年率定期27場(chǎng)洪水及2014～2015年驗(yàn)證期8場(chǎng)洪水進(jìn)行降雨徑流模擬，率定期合格率達(dá)到了甲級(jí)精度，平均確定性系數(shù)達(dá)到了乙級(jí)精度；驗(yàn)證期合格率達(dá)到甲級(jí)精度，平均確定性系數(shù)達(dá)到乙級(jí)精度。通過(guò)模擬結(jié)果分析表明，三水源新安江模型適用于漓江流域上游且取得較好的模擬結(jié)果，可為漓江流域上游洪水作業(yè)預(yù)報(bào)提供參考。

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(責(zé)任編輯唐漢民裴潤(rùn)梅)

Study and application of flood forecasting inupstream basin of Lijiang

CHEN Li-hua1,2, FENG Shi-wei3, DENG Fang-fang1,2

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China;2.Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety, Nanning 530004,China;3.Nanning Water Conservancy and Electric Power Design Institute, Nanning 530004,China;4. Guangxi Nanning Yudao Water Conservancy Technology Company Limited, Nanning 530004, Cina)

In order to provide technical support for flood control and disaster alleviationin upstream basin of Lijiang,according to the topography and climate characteristics of upstream basin of Lijiang river,floods were simulated by the hydrology modeling system with Xin’anjiang model, and flood forecasting scheme based onthree water source Xin’anjiang model in upstream basin of Lijiang was constructed. 27 floods from 2008 to 2013 were selected as regular analog floods and 8 floods from 2014 to 2015 were selected as verifiedfloods for rainfall runoff simulation. Simulation results showed thatthe qualified rate of regular analog was 85.2%, and the average coefficient of determination was 0.850; that the qualified rate of verification was 87.5%,which reached A-grade precision, and the average deterministic coefficient of 0.87 reached B-grade accuracy.The simulation results show that three water source Xin’anjiang model is suitable for upstream basinof Lijiang and has given reasonable results, and the research results can provide reference for flood forecasting in upstream basin of Lijiang.

flood forecasting; upstream basin of Lijiang; Xin’an jiang model

2016-01-10；

2016-05-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51469002，51009029)；廣西自然科學(xué)基金(2015GXNSFBA139218)；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃(桂科攻1298005-6)；廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)性研究項(xiàng)目(2014ZDX012)

陳立華(1980—)，男，福建三明人，廣西大學(xué)教授，博士；E-mail：zgfjclh@163.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1298

TV124

A

1001-7445(2016)04-1298-08

引文格式：陳立華，馮世偉，鄧芳芳.漓江流域上游洪水預(yù)報(bào)方案研究與應(yīng)用[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(4)：1298-1305.