基于新安江模型的山洪動態(tài)預(yù)警指標(biāo)的確定與檢驗(yàn)

陳玄通

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

山區(qū)流域暴雨洪水歷時短，山洪災(zāi)害極易在暴雨天氣發(fā)生，因此，山洪災(zāi)害防御的難點(diǎn)和重點(diǎn)即對其進(jìn)行及時、準(zhǔn)確的預(yù)警[1-2]。雨強(qiáng)、前期土壤含水量、降雨時空分布均對山洪災(zāi)害產(chǎn)生影響[3-5]。當(dāng)前，氣候變化以及下墊面條件變化加大了區(qū)域山洪小流域預(yù)警指標(biāo)獲取的難度，因此需要考慮山洪的綜合影響因子去確定其預(yù)警指標(biāo)，需要采用水文模型對不同條件下的雨量預(yù)警值進(jìn)行綜合確定[6-8]。當(dāng)前國內(nèi)山洪預(yù)警體系研究已逐步開展[9-13]，但綜合考慮有前期影響雨量、累計(jì)雨量、降雨強(qiáng)度以及降雨分布，并通過水文模型進(jìn)行預(yù)警的研究還較少。冰峪溝位于遼東南部，流域面積為692km2，屬于暴雨洪水易發(fā)、多發(fā)區(qū)，發(fā)生峰高量大的山洪頻次較多[14]。為此，文章以該流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，重點(diǎn)探討新安江模型在遼東南部山洪預(yù)警的適用性。

1 動態(tài)預(yù)警方法

基于新安江模型的山洪預(yù)警方法首先采用新安江模型來預(yù)報(bào)洪峰流量，若預(yù)報(bào)的洪峰流量高于流量預(yù)警值(結(jié)合預(yù)報(bào)斷面水位流量關(guān)系，按照設(shè)定預(yù)警水位得到預(yù)警流量)，則場次降雨對應(yīng)的臨界雨量值P臨為T+1時段對應(yīng)的降雨量，可以得到不同時段的(Pa+P+PⅡ，P臨)散點(diǎn)分布，通過擬合分析得到P臨-Pa+P+PⅡ，即動態(tài)臨界雨量曲線，在發(fā)生降雨條件下，不需要采用新安江模型進(jìn)行計(jì)算，只需要結(jié)合降雨累積量、雨強(qiáng)、降雨分布以及前期影響雨量等要素，基于動態(tài)臨界雨量曲線對臨界雨量進(jìn)行計(jì)算，對山洪災(zāi)害可能程度進(jìn)行分析，作為預(yù)警的重要依據(jù)。

1.1 降雨徑流相關(guān)性分析

建立降雨徑流關(guān)系首先需要對前期影響雨量進(jìn)行計(jì)算：

Pa，t+1=k(Pt+Pa，t)

(1)

k=1-Em/Wm

(2)

式中，Pa，t+1、Pa，t分別為t+1日及t日早上8時的前期影響雨量，mm；Pt—計(jì)算當(dāng)日的雨量實(shí)測值，mm；k—蓄水量消退系數(shù)；Em—月蒸發(fā)能力均值，mm；Wm—蓄水容量最大值，mm。

若方程(1)中計(jì)算時間點(diǎn)為早上8時，而預(yù)報(bào)時刻不是該計(jì)算時間點(diǎn)，采用方程(1)計(jì)算的前期影響雨量誤差則會較大，因此需要對該指標(biāo)進(jìn)行修正，一般采用以下兩種方式進(jìn)行修正。

(1)若降雨時刻位于計(jì)算時間點(diǎn)，則需要將消退系數(shù)轉(zhuǎn)換成固定時段計(jì)算值，并計(jì)算不同時刻降雨條件下的前期影響雨量值。

(2)日分割點(diǎn)采用當(dāng)前計(jì)算時刻對Pa值進(jìn)行逐日計(jì)算。

文章采用第一種方法對Pa進(jìn)行修正，并以Wm作為計(jì)算約束條件，結(jié)合降雨徑流多年實(shí)測數(shù)據(jù)，對面平均降雨量、前期影響雨量以及徑流量對P+Pa-R關(guān)系進(jìn)行分析。

1.2 確定經(jīng)驗(yàn)單位線

(3)

求解可得

(4)

在進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)單位線分析時由于降雨量、凈雨量估算、流量誤差等原因，會出現(xiàn)負(fù)值，因此需要對經(jīng)驗(yàn)單位線進(jìn)行調(diào)整，徑流在單位線下的深度為10mm。

1.3 臨界雨量計(jì)算

山洪漲落快，一般都有暴雨產(chǎn)生，因此臨界雨量預(yù)警時刻一般以1、3、6h三個時段進(jìn)行計(jì)算。

(1)預(yù)警影響因子

山洪產(chǎn)生的原因不但和暴雨特征相關(guān)，前期影響雨量也對其影響明顯，前期影響雨量越大，產(chǎn)流越大；相反產(chǎn)流越小。此外，同一雨強(qiáng)和降雨量條件下，降雨時程及空間變化對徑流的影響也有所差異，因此在雨量預(yù)警指標(biāo)計(jì)算時需要考慮降雨累積量、雨強(qiáng)、降雨特征以及前期影響雨量。

(2) 臨界雨量動態(tài)計(jì)算方法

① 對不同時刻T內(nèi)場次洪水過程采用水文模型進(jìn)行計(jì)算；

科學(xué)技術(shù)與意識形態(tài)的關(guān)系很早就進(jìn)入到了西方學(xué)者的視野當(dāng)中，不同的學(xué)者依據(jù)不同的理論對兩者的關(guān)系進(jìn)行了論述，大致產(chǎn)生了兩種不同的學(xué)說理論——科學(xué)技術(shù)與意識形態(tài)對立和科學(xué)技術(shù)即是意識形態(tài)。正是這兩種學(xué)說理論的對立、碰撞，為哈貝馬斯的科學(xué)技術(shù)意識形態(tài)論奠定了豐富的理論基礎(chǔ)。

② 若采用水文模型推算的洪峰流量超過預(yù)警流量，表明已發(fā)生洪水，則返回到上一個步驟重新截取降水過程進(jìn)行計(jì)算，否則采用下一個步驟進(jìn)行分析；

③ 按照降雨量大小對T+1時段雨量值進(jìn)行賦值，對T+1時段內(nèi)的雨量采用水文模型進(jìn)行洪水過程的推求；

④ 若預(yù)報(bào)的洪峰流量高于流量預(yù)警值，則場次降雨對應(yīng)的臨界雨量值P臨為T+1時段對應(yīng)的降雨量，可以得到不同時段的(Pa+P+PⅡ，P臨)散點(diǎn)分布；否則返回步驟③進(jìn)行臨界雨量的計(jì)算；

⑤ 對以上步驟進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，得到不同降雨特征的(Pa+P+PⅡ，P臨)的多個散點(diǎn)數(shù)據(jù)，對P臨-Pa+P+PⅡ曲線進(jìn)行相關(guān)擬合。

2 實(shí)例研究

2.1 區(qū)域概況

冰峪溝流域主要位于英那河流域，該流域河道平均坡度為2.31‰，屬于典型山區(qū)型河流，冰峪溝出口斷面以上流域面積為260 km2，流域內(nèi)有效降雨站點(diǎn)的數(shù)目為5個，具體分布如圖1所示，流域位于英那河水庫下游3km，由于流域內(nèi)無蒸發(fā)觀測數(shù)據(jù)，移用沙里涂水文站蒸發(fā)數(shù)據(jù)。流域內(nèi)植被覆蓋度較好，主要以林地和灌木為主，其中落葉闊葉林以及灌木叢占全流域面積的比例分別為68%和22%。

圖1 冰峪溝流域概況圖

2.2 模型參數(shù)率定結(jié)果

模型參數(shù)采樣遺傳算法進(jìn)行優(yōu)選，兩個時段的參數(shù)率定結(jié)果見表1—2。

表1 冰峪溝流域時段長為1h的新安江模型參數(shù)優(yōu)選結(jié)果

表2 冰峪溝流域時段長為3h的新安江模型參數(shù)優(yōu)選結(jié)果

2.3 洪水模擬結(jié)果

將以上參數(shù)用于冰峪溝流域的8場洪水模擬，結(jié)果見表3—5。

表3 新安江模型產(chǎn)流模擬結(jié)果

表4 時段長為1h的新安江模型匯流模擬結(jié)果

表5 時段長為3h的新安江模型匯流模擬結(jié)果

從不同時段新安江模型模擬結(jié)果可看出，新安江模型在冰峪溝流域的洪水模擬精度較高，場次洪水產(chǎn)流模擬的合格率均可達(dá)到100%，而兩個時段匯流模擬的合格率也可分別達(dá)到89.2%和100%，具有良好的預(yù)報(bào)精度。模型參數(shù)可以滿足冰峪溝流域洪水預(yù)測的要求，可用來進(jìn)行臨界雨量的動態(tài)計(jì)算。

2.4 確定動態(tài)臨界雨量曲線

結(jié)合防洪安全以及冰峪溝水文站斷面變化(如圖2所示)，其預(yù)警水位為89.00m，通過對其歷年水位流量關(guān)系(如圖3所示)進(jìn)行分析，預(yù)警水位對應(yīng)的流量值為608m3/s，以此作為冰峪溝水文站流量預(yù)警值。

圖2 冰峪溝水文站河道斷面圖

圖3 冰峪溝水文站水位與流量關(guān)系曲線

山洪過程陡漲陡落，其受降水分布變化特征影響相對較小，因此需要分析臨界雨量與短歷時雨強(qiáng)、雨量累積值以及前期影響雨量之間的相關(guān)性，相關(guān)分析結(jié)果如圖4—5所示。從分析結(jié)果可知，隨著P+Pa+PⅡ的增大，山洪的臨界雨量值有所減?。粚τ谕籔+Pa+PⅡ，其值隨時間尺度的增加而增大，表明雨強(qiáng)和雨量累積值對山洪是耦合影響。

圖4 1h臨界雨量與Pa+P+PⅡ的關(guān)系

3 應(yīng)用檢驗(yàn)

分別基于新安江模型和傳統(tǒng)API模型(降雨徑流模型)對冰峪溝流域8場洪水構(gòu)建動態(tài)臨界雨量曲線，并對預(yù)警效果進(jìn)行應(yīng)用檢驗(yàn)，兩個時段檢驗(yàn)結(jié)果分別見表7—8。

圖5 3h臨界雨量與Pa+P+PⅡ的關(guān)系

表7 冰峪溝流域1h臨界雨量指標(biāo)檢驗(yàn)

表8 冰峪溝流域3h臨界雨量指標(biāo)檢驗(yàn)

從兩個時段預(yù)警分析結(jié)果可看出，基于API模型和新安江模型的預(yù)警合格率均為100%，文章提出的基于水文模型的動態(tài)臨界雨量方法具有較好的適用性，這主要是因?yàn)樵摲椒删C合考慮雨強(qiáng)、前期影響雨量、降雨特征，使得預(yù)警更為準(zhǔn)確和合理。但是這種方法對于一些無資料地區(qū)小流域而言，需要移用附件水文站點(diǎn)的參數(shù)，進(jìn)行動態(tài)臨界雨量的計(jì)算。

4 主要結(jié)論

(1)隨著P+Pa+PⅡ的增大，山洪小流域臨界雨量值有所減?。粚τ谕籔+Pa+PⅡ，其值隨時間尺度的增加而增大，表明雨強(qiáng)和雨量累積值對山洪是耦合影響。

(2)在進(jìn)行臨界雨量動態(tài)計(jì)算時，若計(jì)算的洪峰流量高于預(yù)警流量，則場次降雨對應(yīng)的臨界雨量值P臨為T+1時段對應(yīng)的雨量值。

(3)文章提出的基于水文模型的山洪預(yù)警在中小型水文測站預(yù)警中具有較好的適用性，但對于一些無資料地區(qū)小流域而言，需要移植有資料地區(qū)參數(shù)，其適用性還需進(jìn)一步分析。