預(yù)報(bào)模型在典型中小河流洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

董向

(廣東省水文局肇慶水文分局，廣東 肇慶 526060)

0 前言

防汛始終是水文工作的重中之重，洪水預(yù)報(bào)是水文工作的重要窗口之一。通過水文工作者長(zhǎng)期不懈的努力，大江大河洪水預(yù)報(bào)取得了巨大的進(jìn)展，預(yù)報(bào)技術(shù)成熟，但在中小河流洪水預(yù)報(bào)方面，由于點(diǎn)多面廣，水文資料短缺，預(yù)報(bào)技術(shù)尚未成熟，中小河流洪水預(yù)報(bào)變成了近些年水文工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。中洲河大象站為典型中小河流站，以廣東省中小河流洪水預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)為平臺(tái)，利用歷史實(shí)測(cè)資料，建立傳統(tǒng)相關(guān)圖模型和新安江模型預(yù)報(bào)方案，并對(duì)建立的方案進(jìn)行精度評(píng)定，利用近3年場(chǎng)次洪水進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)，分析模型的適用性，為該地區(qū)中小河流洪水預(yù)報(bào)提供參考。

1 流域概況

中洲河位于懷集縣北部，屬于綏江干流的上游，發(fā)源于清遠(yuǎn)市連山縣的擒鴉嶺，集水面積908 km2，河長(zhǎng)77 km，平均河床坡降2.26‰，屬暴雨高值區(qū)，多年平均降雨量1 800～2 400 mm。流域內(nèi)100 km2以上的支流有小三江水、上帥水、白竹坑水，地貌多為山區(qū)、丘陵，植被較好，與馬寧水在懷城鎮(zhèn)匯合流入綏江。流域內(nèi)無(wú)大中型水庫(kù)，干流上建有中洲水庫(kù)、焦平電站等一批小水電項(xiàng)目，支流上帥水下游建有若干水利工程，包括水庫(kù)和若干梯級(jí)電站。

大象水文站位于肇慶市懷集縣懷城鎮(zhèn)大象村，設(shè)站于1956年11月，集水面積879 km2，為北江中下游地區(qū)水文分區(qū)的區(qū)域代表站，同時(shí)也是中洲河控制站，屬省級(jí)重要水文站，該站測(cè)驗(yàn)斷面順直、穩(wěn)定，水位流量關(guān)系多呈單一曲線。洪水主要由鋒面雨形成，多在5-7月出現(xiàn)，一般年份有5～6場(chǎng)中高水位洪水，洪水峰高，暴漲暴落，漲落歷時(shí)較短，屬典型中小河流站。

2 理論基礎(chǔ)

自然界中的水文現(xiàn)象，是一種由眾多因素相互作用的復(fù)雜過程。為了研究這一復(fù)雜過程的規(guī)律，水文工作者和科學(xué)家一直在不斷的探索研究。近年來(lái)，為了研究降雨徑流的關(guān)系，通過建立模型，去模擬復(fù)雜水文過程，以探求其中的規(guī)律，人們開發(fā)了很多水文模型。在洪水預(yù)報(bào)中，常用的水文模型有相關(guān)圖模型、新安江模型、單位線和API模型等。

采用的平臺(tái)為廣東省中小河流洪水預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)是廣東省水文局委托長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局對(duì)廣東省200～3 000 km2的中小河流，結(jié)合南方地區(qū)水文、氣象、地理等特點(diǎn)開發(fā)的集查詢、建模、預(yù)報(bào)、會(huì)商為一體的洪水預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)。文章以中洲河大象水文站為典型中小河流站，通過該系統(tǒng)，根據(jù)歷史實(shí)測(cè)資料，建立傳統(tǒng)相關(guān)圖模型和新安江模型預(yù)報(bào)方案，并運(yùn)用方案對(duì)該站近3年場(chǎng)次洪水進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)，統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方案的精度，分析模型的適用性，為同類型中小河流洪水預(yù)報(bào)提供參考。中洲河水系及站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 中洲河水系及站點(diǎn)分布圖

2.1 相關(guān)圖模型

相關(guān)圖洪水預(yù)報(bào)模型是一種傳統(tǒng)而直觀的洪水預(yù)報(bào)方法，具有信息量大、物理成因好、使用簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)，在某些地區(qū)的預(yù)報(bào)精度甚至比計(jì)算機(jī)水文產(chǎn)匯流模型精度更好，因此在洪水預(yù)報(bào)的實(shí)踐中，仍然發(fā)揮了重要的作用，與其他水文預(yù)報(bào)模型一起為洪水預(yù)報(bào)提供有力支持。傳統(tǒng)意義上的相關(guān)圖模型，以圖形方式表述，根據(jù)相應(yīng)水位(流量)預(yù)報(bào)原理，依據(jù)流域上下游站點(diǎn)之間的實(shí)測(cè)資料建立起來(lái)的相應(yīng)關(guān)系，利用相關(guān)圖，就可以根據(jù)已知數(shù)據(jù)(降雨、水位、流量)，查詢預(yù)報(bào)站點(diǎn)的預(yù)報(bào)水位(流量)。文章采用的為上游降雨為輸入，預(yù)報(bào)站點(diǎn)洪峰水位為輸出的相關(guān)圖模型。

2.2 新安江模型

新安江模型是趙人俊等在1973年對(duì)新安江水庫(kù)做入庫(kù)流量預(yù)報(bào)工作中，歸納成的一個(gè)完整的降雨徑流模型。最初的模型為兩水源(地表徑流和地下徑流)，后來(lái)，相繼提出了三水源和四水源的新安江模型。模型主要由4部分組成，即蒸散發(fā)計(jì)算、蓄滿產(chǎn)流計(jì)算、流域水源劃分和匯流計(jì)算。廣東省中小河流洪水預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)中，新安江模型相關(guān)主要參數(shù)意義及取值范圍如下(詳見表1)。

表1 新安江模型相關(guān)主要參數(shù)意義及取值范圍(廣東省中小河流洪水預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng))

3 預(yù)報(bào)方案構(gòu)建

3.1 資料選擇

根據(jù)大象站的歷史實(shí)測(cè)資料情況，選取2004—2014年資料供方案編制，選取2018—2020年實(shí)測(cè)洪水場(chǎng)次資料用于模擬預(yù)報(bào)計(jì)算，檢驗(yàn)精度評(píng)定方法按照《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮流域集水面積和產(chǎn)匯流特性，取1 h為預(yù)報(bào)方案的計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)。

由于流域內(nèi)無(wú)蒸發(fā)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，蒸發(fā)資料系列借用相近的賀江南豐站多年月平均日蒸發(fā)量(見表2)。

表2 南豐站多年月平均日蒸發(fā)量表 單位：mm

大象站以上流域共有9個(gè)雨量站(包括水文站)，通過分析各站數(shù)據(jù)的可靠性和資料系列同步性，選取長(zhǎng)久、加田、小三江、白竹坑、上帥、下帥、中洲、大象8站為雨量計(jì)算站點(diǎn)，采用泰森多邊形計(jì)算權(quán)重系數(shù)(見表3)。

表3 大象站斷面以上流域雨量站及權(quán)重表

3.2 方案構(gòu)建

相關(guān)圖模型：模型構(gòu)建采用上游降雨為輸入，預(yù)報(bào)站點(diǎn)洪峰水位為輸出的相關(guān)圖模型，共選取25場(chǎng)洪水建立相關(guān)圖方案(見圖2)，由于系統(tǒng)自動(dòng)生成峰時(shí)曲線不合理，采用人工分析，修正峰時(shí)相關(guān)圖。通過場(chǎng)次洪水對(duì)該方案進(jìn)行精度評(píng)定(見表4)。

表4 大象站相關(guān)圖模型精度統(tǒng)計(jì)表

圖2 大象站洪峰水位預(yù)報(bào)圖

新安江模型：通過次洪樣本選取-初始值設(shè)置-參數(shù)優(yōu)選-參數(shù)調(diào)整-次洪精度統(tǒng)計(jì)，優(yōu)選模型參數(shù)(見表5)，根據(jù)南方地區(qū)河流特性，結(jié)合流域特性，方案的參數(shù)基本符合要求。根據(jù)優(yōu)選的模型參數(shù)模擬計(jì)算各次洪樣本流量過程，并對(duì)洪峰、峰現(xiàn)時(shí)間、過程水量的相對(duì)誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最終以確定性系數(shù)評(píng)定總體效果(見表6)。

表5 新安江模型優(yōu)選參數(shù)結(jié)果表

表6 新安江模型精度統(tǒng)計(jì)表

4 預(yù)報(bào)模型應(yīng)用分析

為檢驗(yàn)所建立方案在洪水預(yù)報(bào)中的適用性，選取2018—2020年7場(chǎng)洪水過程進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)計(jì)算(允許誤差依據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn))，并進(jìn)行預(yù)報(bào)合格率統(tǒng)計(jì)。模擬預(yù)報(bào)計(jì)算選取造峰雨結(jié)束時(shí)刻為開展預(yù)報(bào)時(shí)間，兩種模型洪水模擬預(yù)報(bào)計(jì)算結(jié)果和模型方案特點(diǎn)見表7、表8和圖3。

表7 相關(guān)圖模型和新安江模型洪水模擬計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表8 大象站相關(guān)圖模型和新安江模型預(yù)報(bào)方案特點(diǎn)表

圖3 2020年6月上旬大象水文站洪水過程模擬預(yù)報(bào)成果圖(新安江模型)

5 小結(jié)

相關(guān)圖模型和新安江模型在典型中小河流站洪水預(yù)報(bào)中，均具備一定的參考價(jià)值，且各有優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際預(yù)報(bào)中需根據(jù)預(yù)報(bào)的目的和需求，選擇相應(yīng)的預(yù)報(bào)模型，以取得最優(yōu)預(yù)報(bào)結(jié)果。

選取構(gòu)建方案的洪水過程均為單峰型，且資料系列不完整(2015—2017年資料系列缺少)，預(yù)報(bào)方案在復(fù)峰或復(fù)漲型洪水模擬預(yù)報(bào)中表現(xiàn)一般，仍需增加樣本數(shù)量，優(yōu)化模型參數(shù)，提高預(yù)報(bào)方案的合格率。且歷史洪水進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)計(jì)算不能代表實(shí)際預(yù)報(bào)作業(yè)，預(yù)報(bào)方案在防汛實(shí)戰(zhàn)中的適用性仍待進(jìn)一步驗(yàn)證。

由于資料所限，方案建立中未進(jìn)行洪水場(chǎng)次分類，在模擬預(yù)報(bào)計(jì)算中未進(jìn)行歷史相似洪水對(duì)比分析，后續(xù)加入相關(guān)內(nèi)容，將能有效提高方案的實(shí)用性。

水利工程對(duì)河流行洪影響程度有待進(jìn)一步研究，流域內(nèi)水庫(kù)、梯級(jí)電站改變了河道的天然水文特性，干擾了河道行洪規(guī)律，尤其在中小洪水中，影響顯著。在實(shí)際洪水預(yù)報(bào)中，需熟悉流域特性，適當(dāng)調(diào)整預(yù)報(bào)模型相關(guān)參數(shù)，才能取得更高的預(yù)報(bào)精度。

建立的預(yù)報(bào)方案相關(guān)參數(shù)對(duì)南方地區(qū)山區(qū)性河流洪水預(yù)報(bào)具有一定借鑒和參考意義，為南方無(wú)資料地區(qū)中小河流洪水預(yù)報(bào)提供了參考。