秋浦河五變數(shù)合軸相關(guān)洪水預(yù)報方案構(gòu)架

焦顯松，程遠平， 舒 州

(安徽安慶水文水資源局，安徽 安慶 246003)

長江流域秋浦河水系洪水預(yù)報方案是安徽省中小河流洪水預(yù)報方案中的重要內(nèi)容，本方案采用五變數(shù)降雨徑流合軸相關(guān)予以構(gòu)架，系統(tǒng)輸入端分別為5個(南源、蘭關(guān)、貢溪、磯灘、石臺)雨量站降雨量，以洪水預(yù)報主要輸出水文要素(凈雨量P(mm)、前期影響雨量Pa(mm)、徑流深R(mm)、洪峰流量(m3/s)、洪峰水位Z(m))作為五變數(shù)相關(guān)圖的構(gòu)成軸。[1]研究內(nèi)容主要包括泰森多邊形面雨量計算、產(chǎn)匯流計算、單峰及復(fù)式峰基流分割、預(yù)報成果統(tǒng)計及評定等方面的內(nèi)容。

1 概述

1.1 流域概述

秋浦河發(fā)源于祁門山脈的大洪嶺，流域面積2 235 km2，流域平均海拔高程131 m，流域坡度7.02 dm/km2，形狀系數(shù)0.611，河道坡度1.29‰。

秋浦河流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和，光照充足，無霜期長。因地處大氣環(huán)流冷暖交匯的過渡地帶，境內(nèi)降雨豐沛集中，時空分布極不均勻，極易發(fā)生洪、澇、旱等多種自然災(zāi)害。降雨主要集中在夏秋季節(jié)，汛期(5—9月份)降雨量約占全年降雨的60%左右。流域內(nèi)多年平均氣溫16.5°C，年均無霜期220 d，常年主導(dǎo)風(fēng)向冬季為東北風(fēng)，夏季為西南風(fēng)，一般平均風(fēng)速1.9～2.8 m/s。徑流年際變化大，干旱年徑流深為300～500 mm，豐水年徑流深可達900～1 400 mm；徑流年內(nèi)分配極不平均，4—7月份徑流占全年的50%～70%，而8—9月份徑流深只占全年的10%左右。

1.2 測站概述

高坦水文站位于池州市貴池區(qū)梅村鎮(zhèn)(原高坦鄉(xiāng))羅田村，地理坐標(biāo)為東經(jīng)117°21′—117°43′，北緯30°01′—30°22′，高坦水文站以上流域集水面積1 077 km2。

高坦水文站1951年由長辦設(shè)立，1959年5月下遷2 km于泥灣處，1962年6月又遷回高坦原斷面，1963年5月基本水尺斷面向上游遷移200 m，觀測至今。

測驗河段較順直，上游左岸500 m有小河匯入。主流偏左岸，左岸樹木較多，右岸灘地寬約90 m，河床為卵石沙礫組成，相對穩(wěn)定，由于下游河道取砂，測驗河段河床緩慢下降。211省道公路橋上設(shè)有左分流測驗斷面。基本斷面處水位在27.50 m左右時，左分流開始過水。

本站采用凍結(jié)基面，減1.852 m即為黃海基面。

2 五變數(shù)降雨徑流合軸相關(guān)洪水預(yù)報方案構(gòu)架流程

五變數(shù)降雨徑流合軸相關(guān)洪水預(yù)報方案由 3個模塊組成,模塊1(歷史洪水?dāng)M合模塊)、模塊2(實時洪水預(yù)報計算模塊)、模塊3(水文要素輸出模塊)組成。三個模塊通過計算機編程語言嵌合控制成為一個有機整體，并支持?jǐn)?shù)據(jù)庫為SQL2010以上。

模塊1基于水文要素歷史數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)之上，第一步流程分別計算前期影響雨量[2]Pa、凈雨P(guān)，并進行地下基流分割，計算場次徑流深R，構(gòu)架P-Pa-R相關(guān)關(guān)系圖；第二步流程以主要的影響因素(降雨歷時t)作為參變量，建立洪峰水位Z和徑流深R的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)架R-t-Z相關(guān)關(guān)系圖；第三步流程統(tǒng)計分析歷年洪峰水位Z、洪峰流量Q關(guān)系，構(gòu)架洪峰水位Z、洪峰流量Q(水文要素字母代表意思下同)[3]相關(guān)關(guān)系圖。

模塊2鏈接水情遙測實時數(shù)據(jù)庫，跟蹤實時雨水情，并設(shè)定洪水預(yù)報雨水情預(yù)警闕值，若達到預(yù)警闕值系統(tǒng)自動提醒洪水預(yù)報作業(yè)人員開始實時雨水情預(yù)報作業(yè)，自動刷新洪水預(yù)報場次過程雨水情并計算洪水預(yù)報作業(yè)時間段相關(guān)輸入端水文要素P、Pa、t值，根據(jù)相應(yīng)水文要素特征值返查模塊1五要素合軸相關(guān)圖所對應(yīng)的水文要素值，并實時顯示在可視化窗口界面。

模塊3根據(jù)可視化窗口顯示的預(yù)報結(jié)果要素初值，結(jié)合歷史洪水情況、下墊面要素情況、河段附近工情，做出合理判斷后作為對外洪水情報預(yù)報發(fā)布的依據(jù)。水文要素達到預(yù)警闕值時并經(jīng)人工矯正檢驗合格后實時上報水文要素預(yù)報結(jié)果并通過統(tǒng)一發(fā)布平臺對社會實時發(fā)布預(yù)報結(jié)果，為防汛決策部門提供技術(shù)支撐。

五變數(shù)降雨徑流合軸相關(guān)洪水預(yù)報方案構(gòu)架流程圖(見圖1)。

圖1 五變數(shù)降雨徑流合軸相關(guān)洪水預(yù)報方案構(gòu)架流程圖

3 方案歷史洪水?dāng)M合及應(yīng)用

3.1 資料收集

收集高坦水文站1990年以后實測水位、流量、蒸發(fā)量(高坦水文站在1993年以前采用80 cm套盆蒸發(fā)皿觀測，從1993年開始采用E601型蒸發(fā)皿觀測，統(tǒng)一換算成E601型資料系列進行分析)以及次洪峰水文要素資料，雨洪配套站南源、蘭關(guān)、貢溪、磯灘、石臺等站降雨量(含時段、日、年)。

3.2 方案設(shè)計流程水文要素分析計算

3.2.1 面降雨量計算

泰森多邊形法是水文預(yù)報中計算流域平均雨量的常用方法，計算公式為

(1)

pi—流域各雨量站點降雨量，mm；

n—流域內(nèi)面雨量站數(shù)。

高坦站面雨量計算站點南源、蘭關(guān)、貢溪、磯灘、石臺降雨量采用泰森多邊形計算，各雨量站點權(quán)重系數(shù)采用分析計算成果，秋浦河高坦站流域參數(shù)(見表1)。

表1 秋浦河高坦站流域參數(shù)表

3.2.2 基流分割

基流依據(jù)實測流量采用斜割法分割基流，在實測流量過程線上用斜線把場次洪水流量過程分割成直接徑流和基流兩部分。單峰、復(fù)式峰切割基流時起終點控制應(yīng)選取起漲水位和退水水位基本一致、流量基本一致的時間節(jié)點，復(fù)式峰切割基流注意洪峰過程線和基流切割線不出現(xiàn)交叉。

3.2.3 繪制P-Pa-R、R-t-Z、Z-Q相關(guān)圖

依據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析計算的各水文要素值，依據(jù)前期影響雨量Pa分為3個(Pa<17 mm；17 mm45 mm)區(qū)間段點繪3條P-Pa-R相關(guān)圖；依據(jù)降雨歷時(t<10 h；10 h20 h)相關(guān)圖；分別點繪3條R-t-Z，統(tǒng)計歷史Z、Q數(shù)據(jù)，點繪Z-Q相關(guān)圖。各水文要素相關(guān)關(guān)系圖數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫指定表中，作為實時洪水預(yù)報的基礎(chǔ)表。五變數(shù)降雨徑流合軸相關(guān)圖(見圖2)。

圖2 五變數(shù)降雨徑流合軸相關(guān)圖

3.3 歷史洪水水文要素擬合及評定

用1990—2014年共23場次歷史洪峰資料驗證模型模擬歷史洪水水文要素預(yù)報合格情況；徑流深R的合格率91%，水位因子的合格率65.2%(以0.30 m作為許可誤差)，洪峰流量合格率為87%。

從表1可知，徑流深、流量要素評定為甲等方案[4]，水位要素評定為丙等方案，綜合評定為乙等方案。

次洪模型預(yù)報擬合要素R、Z、Q的合格率及等級(見表2)，模型歷史洪水?dāng)M合統(tǒng)計表(見表3)。

表2 次洪模型預(yù)報擬合要素R、Z、Q的合格率及等級表

表3 高坦站歷史洪水?dāng)M合統(tǒng)計表

3.4 實時洪水預(yù)報方案應(yīng)用

將構(gòu)架后的五變數(shù)合軸相關(guān)洪水預(yù)報方案應(yīng)用于2015—2017年這3年場次的洪水預(yù)報中，該站預(yù)報因子徑流深預(yù)報最大誤差16 mm，相對誤差10.8%，最小預(yù)報誤差11 mm，相對誤差4%。水位因子最大誤差0.11 m，最小誤差為0.05 m，預(yù)報因子合格率均為100%。洪峰預(yù)報流量最大誤差617 m3/s，相對誤差29.0%，最小預(yù)報流量誤差60 m3/s，相對誤差2.0%，預(yù)報因子合格率為66.7%。

該站水文因子預(yù)報數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析顯示，五變數(shù)降雨徑流合軸相關(guān)洪水預(yù)報模型取得了較好的預(yù)報效果，2015—2017年洪水預(yù)報統(tǒng)計表(見表4)。

表4 高坦站2015—2017年洪水預(yù)報統(tǒng)計表

3.5 問題分析

基流的計算在劃分地下徑流時尤其是復(fù)式峰中的地下徑流劃分中很難將其區(qū)分開來；Pa計算采取的時間步長值為15 d也有一定的局限性；Pa的取值在臨界值(17 mm、45 mm)時由于樣本較少，臨界值的取值帶有一定經(jīng)驗性。因此實際洪水預(yù)報中需要參考降雨特征較為相似的歷史洪水做出必要的修正[5]。因復(fù)式峰P的降雨歷時因人工劃分的影響，在降雨歷時t>20 h，峰現(xiàn)時間t合格率低，而實際上復(fù)式峰的后一場洪峰不同程度的受前場洪峰峰頂后的時間段降水的影響，尤其是前場洪峰的退水中后期階段的降水對后續(xù)形成的洪峰峰形、峰量影響更大[6]?；趶?fù)式峰中降雨歷時劃分存在的實際情況，所以在此次統(tǒng)計分析的成果中峰現(xiàn)時間預(yù)報因子未予列出，因該站新安江模型洪水預(yù)報方案峰現(xiàn)時間預(yù)報因子合格率達到90%以上，因此在外接窗口中實時鏈接該方案的峰現(xiàn)時間預(yù)報因子。

由于在復(fù)式峰地下徑流分割方法的不當(dāng)，造成“960623”徑流深預(yù)報誤差偏差較大?！?10612”號由于前期較干旱，水利工程在降雨時間內(nèi)攔蓄大部分降水造成洪峰流量預(yù)報偏離值大[7]。

4 結(jié)論

基于五變數(shù)降雨徑流合軸相關(guān)洪水預(yù)報方案構(gòu)架在歷史洪水?dāng)M合和實際洪水預(yù)報作業(yè)中取得了較好的效果，預(yù)報結(jié)果符合技術(shù)要求，方案綜合評定級別為乙級，部分水文要素預(yù)報評定級別為甲級。由于方案是經(jīng)驗性方案，需要預(yù)報作業(yè)者充分考慮下墊面水文要素對洪水預(yù)報的精度影響，尤其復(fù)式峰的第一次峰預(yù)報過程中一旦發(fā)現(xiàn)預(yù)報擬合誤差較大，應(yīng)結(jié)合歷史相似情況下的降水過程及現(xiàn)狀遙測水文要素的1 h報1次的具體值做出必要的修正；同時須注意在前期長期久旱無雨的情況下產(chǎn)生的第一次洪水預(yù)報實際值要小與預(yù)報值；在連綿性大雨發(fā)生期間還需及時有效地了解區(qū)域內(nèi)水利工程的調(diào)度方式，盡可能提高洪水預(yù)報精度。方案在模擬洪峰水位預(yù)報因子時采用徑流深和洪峰水位直接相關(guān)法推求，克服了新安江模型中通過流量因子推求洪峰因子的誤差傳遞這個弊端，提高了洪峰水位預(yù)報因子的精度。本站在洪水預(yù)報構(gòu)架過程中同步構(gòu)架了有新安江洪水預(yù)報模型，在實際作業(yè)中可以互相佐證，盡可能多途徑去提高洪水預(yù)報精度，為防汛決策部門提供有力的技術(shù)支撐。