昌源河流域長期洪水預(yù)報(bào)方法研究

楊建平

(晉中市水文水資源勘測(cè)站，山西 晉中 030600)

0 引 言

加強(qiáng)洪水預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)，重視防災(zāi)科學(xué)研究，在破壞性洪水災(zāi)害發(fā)生前進(jìn)行有效的防御和減輕是流域洪水預(yù)防的有效措施之一。昌源河流域管理局從20世紀(jì)70年代開始就開展了長期洪水預(yù)報(bào)工作，并主要以大風(fēng)日數(shù)、氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水、開河日期等氣象、水文單站要素為主要指標(biāo)依據(jù)。此類指標(biāo)雖然對(duì)流域豐枯水年具有一定的指示意義，但是很難從物理成因上明確確定出流域水文過程及主要影響因素；就預(yù)報(bào)方法而言，主要采用的是單相關(guān)圖解法，圖表及分析過程受人為因素影響較大，且預(yù)報(bào)結(jié)果存在多種可能，預(yù)報(bào)結(jié)果并不理想。文章主要以物理成因分析為主，從單站要素?cái)U(kuò)展到流域環(huán)流特征量，并與流域所在地區(qū)溫度等級(jí)建立聯(lián)系，填補(bǔ)流域長期洪水預(yù)報(bào)方面的不足。

1 流域概況

昌源河流域地形總趨勢(shì)為東南高，西北低，由山區(qū)丘陵逐漸過渡到平川，為一級(jí)階梯狀地形。昌源河自東南向西北縱貫全縣，形成西北部開闊的沖積平原。昌源河流域整體屬蜿蜒曲折型河道，受主流影響河床經(jīng)常處于擺布不定狀態(tài)。澗村弧型閘以下河床屬狹窄下切型，主槽在30m左右，灘面在100m以內(nèi)，相對(duì)比較穩(wěn)定，澗村以下河道屬寬淺式，主槽在50m左右，灘面在100-150m，由于主流擺動(dòng)，兩岸屬沙性土質(zhì)，固堤困難，一遇洪水，沿河兩岸局部地段常常出現(xiàn)險(xiǎn)情，農(nóng)田、村莊安全受到危脅。該流域降雨集中在7、8、9三月，突發(fā)性的暴雨時(shí)有發(fā)生，局部暴雨災(zāi)害也經(jīng)常出現(xiàn)，歷史上曾多次發(fā)生較大洪水。盤陀設(shè)站以來最大洪水發(fā)生于1977年7月6日，洪峰流量2050m3/s，相應(yīng)水位795.61m，1966、1970年、1974年發(fā)生過3次>500m3/s的洪水。調(diào)查歷史洪峰分別為1923年1085m3/s、1919年1017m3/s、1933年1014m3/s、1929年及1930年956m3/s。

2 洪水預(yù)報(bào)思路

昌源河流域長期洪水預(yù)報(bào)前應(yīng)先進(jìn)行洪水量級(jí)的劃分，并主要進(jìn)行定性預(yù)報(bào)，所以將流域洪水按照大水、中水偏大、中水、中水偏小、小水等級(jí)別劃分，并以中水偏大至大水級(jí)別為長期預(yù)報(bào)的重點(diǎn)，從而試圖解決流域大洪水定性預(yù)報(bào)問題。為分析預(yù)報(bào)因子相關(guān)系數(shù)以及預(yù)報(bào)因子對(duì)洪水特征貢獻(xiàn)程度的大小，還應(yīng)進(jìn)行因子臨界值的計(jì)算，以便明確預(yù)報(bào)因子和長期洪水之間的物理聯(lián)系[1]?？紤]到流域水文異常現(xiàn)象往往受到諸多因素的綜合作用，所以進(jìn)行流域長期洪水預(yù)報(bào)時(shí)僅考慮某個(gè)因素顯然不合理，集多個(gè)預(yù)報(bào)因子于一體的預(yù)測(cè)指數(shù)能進(jìn)行各因子對(duì)流域洪水貢獻(xiàn)程度的測(cè)算，并能反映全部預(yù)報(bào)因子綜合信息。在預(yù)測(cè)指數(shù)基礎(chǔ)上所構(gòu)建起的流域長期洪水預(yù)測(cè)模型可操作性強(qiáng)，且結(jié)果客觀真實(shí)，不受人為約束。

某一特定時(shí)間在所選定樣本中出現(xiàn)的概率即為相關(guān)概率，昌源河流域水文數(shù)據(jù)系列在40a以上，所以取α為0.05，置信水平95%，查相關(guān)系數(shù)表可得出R=0.312，如果通過模型分析得出的R>0.312，則表明兩個(gè)變量具有顯著的相關(guān)性。考慮到預(yù)報(bào)精度方面的要求，文章將檢測(cè)兩個(gè)變量相關(guān)性的標(biāo)準(zhǔn)R確定在|±0.35|以上[2]。

表1 洪水量級(jí)的劃分

3 構(gòu)建預(yù)報(bào)模型

3.1 確定因子臨界值

文章所提出的流域長期洪水預(yù)報(bào)方法以流域測(cè)站中水偏大及大水年份為重點(diǎn)研究對(duì)象，所以因子臨界值確定時(shí)主要考慮中等偏大及以上洪水，采用分析法進(jìn)行因子臨界值的確定，并逐個(gè)比較初選因子和預(yù)報(bào)對(duì)象。若比較結(jié)果顯示某個(gè)初選因子和預(yù)報(bào)對(duì)象正相關(guān)，則該因子序列內(nèi)某值為臨界值，大于等于該臨界值的數(shù)均對(duì)大水年有指導(dǎo)意義。相反，若比較結(jié)果顯示某個(gè)初選因子和預(yù)報(bào)對(duì)象負(fù)相關(guān)，則意味著小于等于該臨界值的數(shù)均對(duì)大水年有指導(dǎo)意義。該臨界值數(shù)即為因子臨界值。

因子臨界值確定的基礎(chǔ)上必須按照物理屬性進(jìn)行因子臨界值的歸集，將大氣環(huán)流因子歸為一類，海溫因子歸為另一類，并保證相同屬性因子屬于一個(gè)子集，并對(duì)子集內(nèi)的各個(gè)因子采用0/1兩檔編碼。符合臨界值條件的因子標(biāo)為1，不符合臨界值的因子標(biāo)為2，再將同類子集內(nèi)的編碼橫向相加以得出該子集綜合預(yù)報(bào)指數(shù)。

3.2 建立預(yù)報(bào)模型

以大氣環(huán)流因子為縱坐標(biāo)，以河溫因子為橫坐標(biāo)，并將洪水等級(jí)符號(hào)描繪在坐標(biāo)圖中，繪制出昌源河流域盤陀水文站長期洪水綜合指數(shù)預(yù)報(bào)模型(圖1)后，根據(jù)坐標(biāo)圖內(nèi)大氣環(huán)流因子和河溫因子在橫縱坐標(biāo)交叉位置點(diǎn)上所對(duì)應(yīng)的洪水等級(jí)以及洪水點(diǎn)的集散程度區(qū)分大水區(qū)、中水偏大區(qū)、小水區(qū)。

圖1 昌源河流域盤陀水文站長期洪水綜合指數(shù)預(yù)報(bào)模型

對(duì)于流域長期洪水預(yù)報(bào)模型的檢測(cè)通常采用兩種方法，一是評(píng)定模型圖中的大水點(diǎn)子，二是評(píng)定模型圖中的全部點(diǎn)子。具體而言，進(jìn)行大水點(diǎn)子評(píng)定時(shí)應(yīng)將落入大水區(qū)域內(nèi)的小水點(diǎn)子和落在小水區(qū)域內(nèi)的大水點(diǎn)子一起評(píng)定，根據(jù)合格點(diǎn)數(shù)在總點(diǎn)數(shù)中的占比進(jìn)行模型圖合格率的評(píng)定。從所構(gòu)建的昌源河流域盤陀水文站最大流量綜合指數(shù)預(yù)報(bào)模型可以看出，大氣環(huán)流因子預(yù)測(cè)點(diǎn)子★正好落在大水區(qū)域，應(yīng)報(bào)盤陀水文站發(fā)生大洪水。

3.3 流域長期洪水預(yù)報(bào)結(jié)果

根據(jù)昌源河流域洪水量級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)流域盤陀水文站汛期最大流量進(jìn)行等級(jí)劃分，并對(duì)測(cè)站歷年水文資料確定臨界值后進(jìn)行篩選，結(jié)果顯示，測(cè)站最大流量與大氣環(huán)流因子之間存在正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.47，大氣環(huán)流因子臨界值在22以上，符合該因子臨界值條件概率；測(cè)站最大流量與流域極渦強(qiáng)度指數(shù)負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)-0.38，且該因子臨界值在26及以下，符合臨界值條件概率。盤陀水文站最大流量和流域河溫場(chǎng)存在3個(gè)相關(guān)區(qū)域：①與上年4月E130-170°、N10°范圍內(nèi)存在5個(gè)測(cè)點(diǎn)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均值0.41，且河溫因子臨界值為28.4℃；②與上年1月E155-165°、N35°范圍內(nèi)存在3個(gè)河溫正相關(guān)測(cè)點(diǎn)，其相關(guān)系數(shù)均值0.45，河溫因子臨界值在16..5℃以上；③與上年3月E140-150°、N40°范圍內(nèi)存在5個(gè)河溫正相關(guān)測(cè)點(diǎn)，相關(guān)系數(shù)均值0.43，河溫因子臨界值在27.0℃及以上。

分析表明，流域盤陀水文站發(fā)生2050m3/s以上洪峰流量與大氣環(huán)流因子和河溫因子綜合作用密切相關(guān)，當(dāng)上年7月流域極強(qiáng)渦度指數(shù)≤25時(shí)，測(cè)站最大流量發(fā)生2050m3/s以上大洪水的概率為24.2%；當(dāng)上年4月流域河溫均值≥25.4℃時(shí)，測(cè)站最大流量發(fā)生2050m3/s以上大洪水的概率為65.8%。所以，極強(qiáng)渦度指數(shù)因子對(duì)于流域發(fā)生特大洪水的指示作用良好[3]，具體情況詳見圖2昌源河流域盤陀水文站最大流量點(diǎn)聚圖。

圖2 昌源河流域盤陀水文站最大流量點(diǎn)聚圖

從所構(gòu)建的昌源河流域盤陀水文站最大流量綜合指數(shù)預(yù)報(bào)模型可以看出，大氣環(huán)流因子預(yù)測(cè)點(diǎn)子★也落在大水區(qū)域，表明文章所提出的洪水預(yù)報(bào)方案對(duì)于流域發(fā)生大洪水具有指示性意義，也說明文章所提出的測(cè)報(bào)方法能預(yù)報(bào)出昌源河流域可能發(fā)生的大洪水。

4 結(jié) 論

通過構(gòu)建昌源河流域長期洪水預(yù)報(bào)模型，可使流域單站預(yù)報(bào)時(shí)間縮短4-5倍，預(yù)報(bào)時(shí)效及預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性顯著提升，防汛減災(zāi)社會(huì)效益十分顯著。流域長期洪水預(yù)報(bào)以單站洪水預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)，所以單站洪水預(yù)報(bào)和流域預(yù)報(bào)模型參數(shù)率定需要大量的歷史資料支撐。應(yīng)用結(jié)果表明，文章所構(gòu)建的昌源河流域盤陀水文站長期洪水預(yù)報(bào)方法具有較強(qiáng)的適用性，可為類似流域洪水測(cè)報(bào)提供借鑒參考。