陜西中小河流洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)在柞水站預(yù)報(bào)的應(yīng)用

陸 琪

目前中小河預(yù)報(bào)方案的編制，既是水文工作的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。2016年以前，陜西省商洛水文局曾試用降雨徑流相關(guān)法、單位線法等試做柞水水文站洪水預(yù)報(bào)方案，均因預(yù)報(bào)方案精度低而未能完成。2017年，陜西省中小河流預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目全面啟動(dòng)，本文以陜西省中小河流洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)為方案編制平臺(tái)，編制了乾佑河柞水水文站洪水預(yù)報(bào)方案。

1 概況

柞水水文站位于乾佑河上游河源段，乾佑河發(fā)源于秦嶺南麓海拔1500 m以上的高山區(qū)。柞水水文站以上流域面積457 km2，呈扇形，河長30.5 km，比降17‰，流域內(nèi)山巒疊嶂，谷深溝峽。兩岸主要支流有黑溝、西溝、老林頭河、安溝等。流域水系及水文站雨量站網(wǎng)分布見圖1。

圖1 柞水水文站以上流域站網(wǎng)分布圖

流域?qū)儆趤啛釒降丶撅L(fēng)性氣候，受秦嶺對(duì)北方寒潮的阻隔，及東南部開口的掌狀山川地形影響，有利于東南及南部暖濕氣流向境內(nèi)流入，成為雨水較多的區(qū)域。該流域徑流系數(shù)在0.34，多年平均降雨量780 mm左右，但年際變化大，年內(nèi)分配不均，夏季為多雨季節(jié)，季降雨量占全年降水的50%左右，秋季降雨量占全年降水的27%左右。夏季致洪主要由極鋒過境時(shí)的局部暴雨形成，其特點(diǎn)一般是短歷時(shí)、大強(qiáng)度，河水陡漲陡落，極鋒過境后，本地易形成高溫伏旱。秋季致洪常是連陰雨形成，河水漲落較緩。冬春兩季是一年降雨較少的季節(jié)，兩季降雨量占全年降雨的25%左右，常為枯水期。

暴雨多發(fā)生在主汛期（7、8、9月），10月次之。洪峰匯流時(shí)間，從流域主要降雨結(jié)束到洪峰出現(xiàn)一般為1.5 h，有時(shí)主要降雨還沒有結(jié)束洪峰就已出現(xiàn)，一次洪水過程1～4 d，洪峰持續(xù)時(shí)間在 0.1～3 h。

流域處于陜南山區(qū)，氣候由亞熱帶向暖溫帶過度的地區(qū)。具有氣候濕潤，降雨量較多；山嶺面積大，土薄石多；汛期暴雨集中，下滲少，徑流多；漲水歷時(shí)短，退水歷時(shí)較長等特點(diǎn)。因此產(chǎn)流方式以蓄滿產(chǎn)流為主。

2 陜西省中小河流預(yù)報(bào)系統(tǒng)

陜西省中小河流預(yù)報(bào)系統(tǒng)平臺(tái)除了具備模型參數(shù)調(diào)試列表外，還增加了子流域分段數(shù)參數(shù)、場(chǎng)次洪水狀態(tài)變量參數(shù)和洪水量級(jí)定義等功能。該模型基本結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 新安江模型3水源基本結(jié)構(gòu)流程圖

3 流域洪水預(yù)報(bào)方案的建立

柞水?dāng)嗝嬉陨狭饔虍a(chǎn)流方式以蓄滿產(chǎn)流為主。因此可以使用中國水利水電科學(xué)研究院研發(fā)的陜西省中小河流預(yù)報(bào)系統(tǒng)三水源蓄滿產(chǎn)匯流綜合模型，在本模型中，把柞水以上斷面流域作為一個(gè)單元總體，求得流域出口流量過程。

3.1 資料的選用

本次方案編制采用柞水水文站1981年至2016年共36年的54場(chǎng)次雨洪配套資料，其中1981～2014年資料用于率定參數(shù)，2015～2016兩年雨洪資料用作方案的檢驗(yàn)。雨量資料用黃花嶺、花門樓、老林和柞水站供4站。

3.2 歷史洪水量級(jí)的劃分

根據(jù)中水科的《陜西省中小河流洪水預(yù)報(bào)》軟件功能，首先將柞水水文站所選的54場(chǎng)次洪水，根據(jù)洪峰流量的大小及分布，人工定義大、中、小三級(jí)，根據(jù)下列步驟計(jì)算各場(chǎng)次的降雨產(chǎn)生的流深R。

（1）計(jì)算歷史洪水（洪峰）發(fā)生時(shí)，該站當(dāng)日8時(shí)流域土壤前期影響雨量Pa；一般用下列經(jīng)驗(yàn)遞推公式計(jì)算：

式中，K為前期影響雨量消退系數(shù)；Pt為t日的降雨量；Pa，t為t日8時(shí)的前期影響雨量；Pa，t+1為t日的t+1日8時(shí)前的土壤前期影響雨量。

（2）計(jì)算該次洪峰發(fā)生前斷面以上主要降雨的平均降雨量p；

（3）用公式R=Pa+p-Im，計(jì)算R值。Im為該流域最大初損，經(jīng)分析計(jì)算，該斷面以上流域最大初損為74 mm。

（4）根據(jù)產(chǎn)流深R值和人工定義的洪水等級(jí)，由歷史洪水的計(jì)算統(tǒng)計(jì)得出下表結(jié)論見表1，供預(yù)報(bào)時(shí)選用其相應(yīng)預(yù)報(bào)方案。

表1 徑流深R與洪水量級(jí)對(duì)應(yīng)表

3.3 參數(shù)率定

根據(jù)工定義的大、中、小各級(jí)洪水，分別進(jìn)行參數(shù)率定，根據(jù)機(jī)器自動(dòng)優(yōu)選和人工相結(jié)合的方法，使實(shí)測(cè)過程與模擬過程擬合最好時(shí)的參數(shù)作為預(yù)報(bào)方案的最終率定成果。預(yù)報(bào)方案見表 2、表 3。

4 洪水預(yù)報(bào)方案編制成果

4.1 模型率定成果

分別對(duì)各次洪水的洪峰流量、洪峰出現(xiàn)時(shí)間按照許可誤差法進(jìn)行評(píng)定，50次洪峰合格場(chǎng)次36次，合格率72.0%；峰現(xiàn)時(shí)間合格率82.0%，方案評(píng)定等級(jí)為乙等，各次洪水評(píng)定結(jié)果見附表1～表3。按照評(píng)定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到柞水水文站斷面以上三水源模型法洪水預(yù)報(bào)方案總體評(píng)定，見表4。

表2 模型率定成果統(tǒng)計(jì)表

表3 各洪水量級(jí)子流域分段數(shù)參數(shù)值

表4 三水源模型法洪水預(yù)報(bào)方案評(píng)定結(jié)果表

4.2 模型檢驗(yàn)成果

使用近年的2015～2016兩年的場(chǎng)次洪水資料，進(jìn)行方案的精度檢驗(yàn),各次洪水精度檢驗(yàn)情況見附表4，洪峰流量和峰現(xiàn)時(shí)間檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 洪水預(yù)報(bào)方案精度檢驗(yàn)結(jié)果表

4.3 模型方案的評(píng)價(jià)

由檢驗(yàn)表可知，4次洪水洪峰合格率100%，為甲等；洪峰出現(xiàn)時(shí)間合格率75%，為乙等；方案檢驗(yàn)精度指標(biāo)稍優(yōu)于評(píng)定指標(biāo)。根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T22482-2008GB）的規(guī)定方案總體等級(jí)為乙等，可用于發(fā)布正式預(yù)報(bào)。

4.4 預(yù)報(bào)方案存在的主要誤差

1）部分場(chǎng)次洪水的產(chǎn)流機(jī)制與模型的產(chǎn)流機(jī)制不符。三水源是一種蓄滿產(chǎn)流模型，即土壤包氣帶土濕達(dá)到田間持水量后產(chǎn)流，因此當(dāng)有部分洪水是由以超滲產(chǎn)流為主時(shí)，會(huì)出現(xiàn)用模型模擬量與實(shí)測(cè)值比較有偏小的情況。這種洪水多半是每年的汛初和久旱下大雨的情況；但如土壤含水量已經(jīng)飽和后降雨，這時(shí)模擬量與實(shí)測(cè)值比較出現(xiàn)偏大的情況；

2）集總模型的不均勻產(chǎn)流設(shè)計(jì)模式同降雨分布很不均勻的局部產(chǎn)流機(jī)制不同而造成誤差，在率定過程中這類洪水出現(xiàn)了洪峰量值系統(tǒng)偏小的情況；

3）由于過去流域內(nèi)雨量站較少，各雨量站點(diǎn)分布不均，雨量代表性較差，影響了流域面雨量的計(jì)算精度；

4）歷史降雨資料為6小時(shí)的人工觀測(cè)資料，處理成1小時(shí)的時(shí)段雨量后，用均化后的降雨過程代替實(shí)際降雨，造成計(jì)算的洪峰值偏小的情況；

5）水利工程對(duì)洪水預(yù)報(bào)的影響。上游蓄水引水壩工程,對(duì)大中洪水影響不大,但對(duì)小水有一定的影響。特別是對(duì)汛初或者久旱后降雨，計(jì)算值往往偏小。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

預(yù)報(bào)方案模型增加了此洪狀態(tài)變量前期氣候的影響因子和產(chǎn)流面積分布狀況的5個(gè)敏感參數(shù)（上層張力水蓄量WL，下層張力水蓄量WD，以及流域包氣帶自由水蓄量S以及此洪產(chǎn)流面積比值FR）。這些參數(shù)對(duì)調(diào)試場(chǎng)次洪水的合格率是很有益的，但同時(shí)也給作業(yè)預(yù)報(bào)帶來困難，因?yàn)樵趯?shí)際作業(yè)預(yù)報(bào)時(shí)，要根據(jù)流域?qū)嶋H出現(xiàn)的情況給這些無法觀測(cè)的參數(shù)賦值，主觀任意性大，預(yù)報(bào)成果的不確定性增加，可能同一場(chǎng)降水預(yù)報(bào)洪水成果會(huì)相差很大。

5.2 建議

（1）實(shí)際作業(yè)預(yù)報(bào)時(shí)盡可能增加報(bào)汛雨量站，將所有報(bào)汛雨量站全部納入面雨量計(jì)算，以提高面雨量的計(jì)算精度。

（2）當(dāng)流域內(nèi)出現(xiàn)降雨特別不均、汛初第一場(chǎng)降雨、久旱后下普雨等雨型時(shí)，預(yù)報(bào)會(huì)商時(shí)預(yù)報(bào)洪峰的量值要適當(dāng)調(diào)小。

（3）在作業(yè)預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)充分考慮次洪參數(shù)產(chǎn)生的誤差影響，可在汛期用Excel表每天用前期影響雨量經(jīng)驗(yàn)公式，如Pa，t+1=k（Pt+Pa，t）推算預(yù)報(bào)斷面流域以上的前期影響雨量，為次洪狀態(tài)變量參數(shù)WL、WD、和S參數(shù)賦值作參考；根據(jù)次降雨量的在流域上的分布情況、土壤前期影響雨量情況對(duì)FR確定參數(shù)值。

（4）根據(jù)柞水水文站陡漲陡落的洪水特性，因此作業(yè)預(yù)報(bào)的預(yù)見期不易過長，一般不超過2小時(shí)，以1小時(shí)為宜；可進(jìn)行連續(xù)1 h滾動(dòng)預(yù)報(bào)。

[1]王光生，寧方貴，肖非.實(shí)用水文預(yù)報(bào)方法[M].北京水利水電出版社，2008.

[2]GB/T 22482-2008水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范[S].北京水利出版社，2008.