基于降水集合預(yù)報(bào)模式的遼西山洪預(yù)警技術(shù)研究

劉瑛楠

(遼寧省沈陽水文局，沈陽 110043)

0 前 言

由于山洪受暴雨洪水影響，洪水陡漲陡落，使得山洪災(zāi)害防御十分困難[1]。山洪預(yù)警是山洪災(zāi)害防御的重要措施。近些年來，采用降水預(yù)報(bào)模式是提前進(jìn)行山洪預(yù)警的重要方法，為此不同降水預(yù)報(bào)模式也逐步得到研究[2-8]，但一些研究成果表明，單一降水集合預(yù)報(bào)模式在大雨量級(jí)下的預(yù)報(bào)精度不高，使得單一降水預(yù)報(bào)模式在一些區(qū)域山洪預(yù)警的合格率不高[9]。因此需要對(duì)不同單一降水預(yù)報(bào)模式進(jìn)行集合分析，提高降水預(yù)報(bào)模式對(duì)于大雨預(yù)報(bào)的精度[10]。當(dāng)前，降水集合預(yù)報(bào)模式已經(jīng)在一些區(qū)域的山洪預(yù)警中得到應(yīng)用[11-14]，具有一定的預(yù)警效果，但在遼西地區(qū)還未得到相關(guān)應(yīng)用，遼西地區(qū)主要為山丘區(qū)，區(qū)域在夏季發(fā)生山洪的可能性較高，亟需對(duì)區(qū)域山洪預(yù)警進(jìn)行研究，從而保障區(qū)域突發(fā)性山洪的有效防御。為此文章結(jié)合降水集合預(yù)報(bào)方法，對(duì)遼西地區(qū)山洪預(yù)警技術(shù)進(jìn)行研究。研究成果對(duì)于遼西地區(qū)山洪災(zāi)害防御具有參考價(jià)值。

1 預(yù)警方法

文章結(jié)合降水集合預(yù)報(bào)成果，作為水文模型的輸入，對(duì)區(qū)域山洪流量進(jìn)行預(yù)報(bào)，結(jié)合預(yù)報(bào)流量成果對(duì)區(qū)域山洪進(jìn)行可能預(yù)報(bào)研究，考慮到遼西地區(qū)屬于典型的干旱半干旱區(qū)，選用垂向混合產(chǎn)流模型作為區(qū)域山洪預(yù)警的預(yù)報(bào)模型，模型產(chǎn)流系數(shù)計(jì)算方程為：

(1)

式中：α為產(chǎn)流系數(shù)；FA為下滲水量，mm；Wmm為蓄水量最大值，mm，模型土壤水下滲曲線方程為：

(2)

(3)

RS=PE-FA

(4)

式中：FM為產(chǎn)流量，mm；FC為下滲速率，mm/s；WM為蓄水容量流域均值，mm；W為前期影響雨量，mm；KF為滲透系數(shù)；BF為蓄水空間分布系數(shù)；PE為降雨減去蒸發(fā)的水量，mm；RS為地表產(chǎn)流量，mm。

2 模型應(yīng)用

2.1 區(qū)域概況

文章以遼西大凌河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，區(qū)域?qū)儆诘湫透珊蛋敫珊祬^(qū)，降水量主要集中在7-8月，多年平均降水量約為600mm，大部分山丘區(qū)山洪漲水到落水的歷時(shí)均較短，平均在2-3h之內(nèi)，近些年來，受極端氣候變化影響，據(jù)統(tǒng)計(jì)區(qū)域發(fā)生中型山洪的次數(shù)呈現(xiàn)明顯遞增變化。為此文章結(jié)合降水結(jié)合預(yù)報(bào)成果，以垂向混合產(chǎn)流模型作為區(qū)域山洪預(yù)報(bào)模型，探討降水集合預(yù)報(bào)方法在區(qū)域山洪預(yù)警的適用性以及預(yù)警合格率。

2.2 預(yù)報(bào)模型構(gòu)建

對(duì)遼西地區(qū)山洪預(yù)警模型進(jìn)行主要參數(shù)設(shè)置，在完成模型參數(shù)設(shè)置后實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)警模型的構(gòu)建，研究主要預(yù)警參數(shù)的物理意義以及主要參數(shù)值，預(yù)警參數(shù)值，見表1。

2.3 預(yù)報(bào)模型精度分析

在山洪預(yù)報(bào)模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，選取流域內(nèi)典型山洪場(chǎng)次洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)模型精度分析，主要分析兩個(gè)時(shí)段，時(shí)段長(zhǎng)為1h的預(yù)報(bào)模型精度評(píng)價(jià)結(jié)果，見表2；時(shí)段長(zhǎng)為3h的預(yù)報(bào)模型精度評(píng)價(jià)結(jié)果，見表3。

表1 預(yù)警參數(shù)值

表2 時(shí)段長(zhǎng)為1h的預(yù)報(bào)模型精度評(píng)價(jià)結(jié)果

表3 時(shí)段長(zhǎng)為3h的預(yù)報(bào)模型精度評(píng)價(jià)結(jié)果

從預(yù)報(bào)精度評(píng)價(jià)結(jié)果可看出，垂向混合產(chǎn)流模型在遼西大凌河流域各場(chǎng)次山洪具有較好的預(yù)報(bào)精度，預(yù)報(bào)的洪峰誤差總體<±25%，不同時(shí)段的山洪模擬合格率>60%，具有一定的預(yù)報(bào)精度。降雨時(shí)段越短其預(yù)報(bào)合格率越低，這主要是因?yàn)轭A(yù)報(bào)時(shí)段越短，其降水影響越大，使得預(yù)報(bào)模型精度有所降低。因此在遼西地區(qū)山洪預(yù)警時(shí)，建議將預(yù)警時(shí)段控制在2h以上，從而可影響的提高山洪預(yù)警的合格率。

2.4 預(yù)警合格率分析

在預(yù)報(bào)模型精度評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)行，對(duì)各典型場(chǎng)次山洪預(yù)警的指標(biāo)進(jìn)行分析和檢驗(yàn)，1h預(yù)警指標(biāo)分析，見表4；3h預(yù)警指標(biāo)分析，見表5。

從分析結(jié)果可看出，相比于傳統(tǒng)山洪預(yù)警方法，文章提出的基于降水集合預(yù)報(bào)模式的山洪預(yù)警技術(shù)在研究區(qū)域山洪預(yù)警的合格率平均可提升約10%。傳統(tǒng)山洪預(yù)警方法由于只考慮單一降雨預(yù)報(bào)模式，在大雨或者暴雨預(yù)報(bào)精度要低于降水集合預(yù)報(bào)的精度，因此其預(yù)警合格率要低于采用降水集合預(yù)報(bào)模式的山洪預(yù)警。此外從對(duì)比分析結(jié)果還可看出，文章山洪預(yù)警技術(shù)相比于傳統(tǒng)山洪預(yù)警技術(shù)，在1h時(shí)段的預(yù)警合格率也較高。

2.5 修正后預(yù)警合格率分析

考慮到降水集合預(yù)報(bào)方法在大雨及暴雨精度不高的問題，文章基于卡爾曼濾波方法對(duì)降水預(yù)報(bào)集合模式進(jìn)行修正，并結(jié)合2018年以及2017年研究區(qū)域兩場(chǎng)洪水進(jìn)行降水集合預(yù)報(bào)模式修正前后的山洪預(yù)警效果的對(duì)比，修正前后“20180723”預(yù)警效果對(duì)比，見表6；修正前后“20190712”預(yù)警效果對(duì)比，見表7。

從兩場(chǎng)山洪預(yù)警效果可看出，采用卡爾曼濾波進(jìn)行降水集合預(yù)報(bào)模式修正后的其山洪預(yù)警和實(shí)際預(yù)警的吻合度相比于修正前平均可提高約10%，這主要是因?yàn)樾拚蟮慕邓项A(yù)報(bào)模式提高了其在大雨及暴雨量級(jí)下的降雨預(yù)報(bào)精度，從而提高了其山洪預(yù)警的準(zhǔn)確度。此外卡爾曼濾波方法可對(duì)傳統(tǒng)降水集合預(yù)報(bào)模式進(jìn)行修正處理，降低了其在大雨及暴雨量級(jí)下的預(yù)報(bào)精度。因此在遼西地區(qū)山洪預(yù)警時(shí)，建議采用卡爾曼濾波對(duì)其降雨集合預(yù)報(bào)進(jìn)行修正，從而提高降水集合預(yù)報(bào)的山洪預(yù)警精度。

表4 1h預(yù)警指標(biāo)分析

表5 3h預(yù)警指標(biāo)分析

表6 修正前后“20180723”預(yù)警效果對(duì)比

表7 修正前后“20190712”預(yù)警效果對(duì)比

3 結(jié) 論

1)降雨時(shí)段越短其預(yù)報(bào)合格率越低，這主要是因?yàn)轭A(yù)報(bào)時(shí)段越短，其降水影響越大，使得預(yù)報(bào)模型精度有所降低。因此在遼西地區(qū)山洪預(yù)警時(shí)，建議將預(yù)警時(shí)段控制在2h以上，從而可影響的提高山洪預(yù)警的合格率。

2)相比于傳統(tǒng)考慮單一降水預(yù)報(bào)模式的山洪預(yù)警方法，文章提出的基于降水集合預(yù)報(bào)模式的山洪預(yù)警技術(shù)在研究區(qū)域山洪預(yù)警的合格率平均可提升10%左右。

3)采用卡爾曼濾波進(jìn)行降水集合預(yù)報(bào)模式修正后的其山洪預(yù)警和實(shí)際預(yù)警的吻合度相比于修正前平均可提高約10%，這主要是因?yàn)樾拚蟮慕邓项A(yù)報(bào)模式提高了其在大雨及暴雨量級(jí)下的降雨預(yù)報(bào)精度，從而提高了其山洪預(yù)警的準(zhǔn)確度。