中小河流洪水預(yù)報(bào)預(yù)警方法探討

胡春雙,王占興，孫永賀

(黑龍江省牡丹江水文水資源中心,黑龍江 牡丹江 157000)

牡丹江市位于黑龍江省東南部，以山地、丘陵為主，呈現(xiàn)出中山、低山、丘陵、河谷盆地四種地質(zhì)形態(tài)，被稱為“九分山水一分田”。轄區(qū)內(nèi)丘陵山區(qū)性河流多，落差較大，流域面積50～200 km2的河流有180余條，200～1000 km2的河流有50余條。由于流域內(nèi)中小河流堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低或無(wú)堤防，洪水致災(zāi)可能性大。特別是近年來(lái)極端天氣事件增多，局地強(qiáng)降雨造成中小河流突發(fā)性洪水頻繁發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成極大威脅。

近年來(lái)，國(guó)家進(jìn)一步加強(qiáng)黑龍江省中小河流治理，加大中小河流防洪工程措施及非工程措施投資力度，牡丹江市中小河流水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不足現(xiàn)狀得到了改善，已有19條中小河流建成了專用水文(位)站。但由于觀測(cè)時(shí)間短，資料匱乏，這些中小河流短期內(nèi)無(wú)法建立較高精度的洪水預(yù)報(bào)預(yù)警方案。如何充分發(fā)揮已建成中小河流水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，加快構(gòu)建中小河流洪水預(yù)報(bào)預(yù)警體系，研究適用本流域中小河流暴雨洪水特點(diǎn)的預(yù)報(bào)預(yù)警方法已迫在眉睫。

1 中小河流洪水預(yù)報(bào)預(yù)警存在的難點(diǎn)

一般中小河流洪水預(yù)報(bào)采用的方法主要有單位線、新安江模型、分布式水文預(yù)報(bào)模型等，預(yù)報(bào)預(yù)警的方法雖多，但應(yīng)用于中小河流的預(yù)報(bào)卻往往難以取得好的效果[1]。洪水預(yù)報(bào)精度不高是目前中小河流洪水預(yù)報(bào)預(yù)警面臨的普遍問題。目前，牡丹江市中小河流洪水預(yù)報(bào)預(yù)警存在以下難點(diǎn)：

(1)中小河流水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)建成時(shí)間短，資料積累不足。牡丹江市中小河流專用水文站、水位站、雨量站2016年投入使用，運(yùn)行時(shí)間較短，經(jīng)歷洪水次數(shù)少，導(dǎo)致洪水預(yù)報(bào)方案制作所需必要數(shù)據(jù)不足，短期內(nèi)無(wú)法建立較高精度的預(yù)報(bào)方案。

(2)實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)少，獲得洪峰流量難度較大。中小河流水文監(jiān)測(cè)站目前普遍采用無(wú)人值守與巡測(cè)結(jié)合的測(cè)驗(yàn)方式，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)與勘測(cè)隊(duì)距離一般較遠(yuǎn)，中小河流暴漲暴落，漲洪歷時(shí)較短，一場(chǎng)洪水過程中，水位監(jiān)測(cè)采用遙測(cè)技術(shù)，能監(jiān)測(cè)洪水全部漲落過程，但全過程實(shí)測(cè)流量無(wú)法全面取得，積累詳實(shí)實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)較困難，特別是洪峰流量測(cè)得難度較大。且中小河流沖淤變化大、水位流量關(guān)系不穩(wěn)定，影響建立預(yù)報(bào)方案的精度。

(3)洪水預(yù)報(bào)預(yù)警的預(yù)見期很短。中小河流一般集水面積較小，洪水普遍存在暴漲暴落，洪水歷時(shí)較短，一般洪水匯流時(shí)間只有幾小時(shí)，甚至不足1 h，洪水預(yù)報(bào)預(yù)警的預(yù)見期很短。

(4)現(xiàn)有方法預(yù)報(bào)精度普遍不高。牡丹江市中小河流暴雨洪水往往是蓄滿與超滲產(chǎn)流共同作用，新安江模型產(chǎn)流方式為蓄滿產(chǎn)流洪水預(yù)報(bào)模型，應(yīng)用于牡丹江市中小河流洪水預(yù)報(bào)效果不理想。廣泛應(yīng)用于中小河流的分布式模型，參數(shù)由地形、地貌數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)測(cè)歷史洪水資料的率定得到[2]，需要數(shù)十年的資料積累，同時(shí)需要雷達(dá)測(cè)雨、遙感、地理信息系統(tǒng)、數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)等技術(shù)的支撐，參數(shù)調(diào)試難度大，目前預(yù)報(bào)精度普遍不高。

牡丹江市中小河流普遍地處山丘區(qū)，具有源短流急，洪水具有強(qiáng)度大、破壞力強(qiáng)、歷時(shí)短、難預(yù)報(bào)、難預(yù)防的特點(diǎn)[3]。研究簡(jiǎn)單易行、及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法，建立好洪水預(yù)報(bào)預(yù)警方案，為中小河流洪水及時(shí)預(yù)警是亟待解決的問題。

2 降雨指標(biāo)與洪峰水位(流量)相關(guān)法

為了發(fā)揮中小河流水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)在抗洪減災(zāi)工作當(dāng)中的應(yīng)有作用，有效解決中小河流預(yù)報(bào)預(yù)警工作中的難題，必須研究及時(shí)可靠的洪水預(yù)報(bào)預(yù)警方法，方法須簡(jiǎn)單易算，達(dá)到一定精度。

降雨是產(chǎn)生徑流的最直接因素，根據(jù)牡丹江市中小河流特點(diǎn)、監(jiān)測(cè)站點(diǎn)現(xiàn)狀及資料實(shí)際情況，采用降雨相關(guān)參數(shù)與洪峰水位(流量)相關(guān)，建立相關(guān)方程，通過流域內(nèi)多個(gè)站點(diǎn)的分析計(jì)算，精度較高。統(tǒng)計(jì)了2017—2019年70余場(chǎng)次洪水，為7處中小河流站點(diǎn)建立預(yù)報(bào)方案，方案的平均合格率達(dá)到79%。2020年,“巴威”“美莎克”和“海神”3個(gè)臺(tái)風(fēng)先后侵襲牡丹江市，轄區(qū)內(nèi)中小河流洪水多發(fā)并發(fā)，采用降雨參數(shù)與洪峰水位(流量)相關(guān)法進(jìn)行流域內(nèi)中小河流水文站點(diǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警，及時(shí)準(zhǔn)確，簡(jiǎn)單易行，取得了較好的效果，在2020年中小河流洪水預(yù)報(bào)預(yù)警工作中發(fā)揮了重要作用。

經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法是統(tǒng)計(jì)某單一水文要素，如次降雨量、次地面徑流量、洪峰流量等，根據(jù)水文要素的原因與結(jié)果，自變量與因變量的實(shí)際觀測(cè)值，采用相關(guān)統(tǒng)計(jì)的方法，求出它們之間的定量關(guān)系，也就是相關(guān)關(guān)系[4]。經(jīng)驗(yàn)相關(guān)方法的關(guān)鍵是在次洪水多種水文要素中選取出適合河流實(shí)際情況的預(yù)報(bào)因子，并能建立良好的相關(guān)關(guān)系，牡丹江市中小河流具有暴漲暴落特點(diǎn)，漲洪歷時(shí)較短，一般洪水匯流時(shí)間只有幾小時(shí)，甚至不足1 h，資料積累情況為場(chǎng)次洪水水位資料比較完整，高水位實(shí)測(cè)流量資料不足，部分站水位流量關(guān)系不穩(wěn)定。因此，沒有考慮洪峰流量，而選取降雨作為洪峰水位的預(yù)報(bào)因子，采用降雨的相關(guān)指標(biāo)與洪峰水位建立相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)牡丹江市中小河流歷史實(shí)測(cè)水文資料，挑選單峰形狀場(chǎng)次洪水，統(tǒng)計(jì)多種洪水要素，包括降雨歷時(shí)、面平均雨量、起漲時(shí)間、起漲水位、洪峰水位、暴雨中心等。選取面平均雨量、降雨歷時(shí)、洪峰水位三個(gè)敏感因子，通過線性或非線性回歸方程擬合，分別建立了兩種類型的相關(guān)關(guān)系，一種是面平均雨量與洪峰水位，另一種是面平均雨量、降雨歷時(shí)與洪峰水位。經(jīng)過實(shí)踐證明，由于前者未考慮降雨歷時(shí)，用此法建立方案的合格率普遍低于后者。因此選面平均雨量、降雨歷時(shí)與洪峰水位相關(guān)關(guān)系，率定確定回歸方程參數(shù)，建立面降雨、降雨歷時(shí)與水位方程，編制中小河流洪水預(yù)報(bào)預(yù)警方案。此方法建立的方案精度高，簡(jiǎn)單易操作，預(yù)報(bào)因子少，無(wú)須流量數(shù)據(jù)，可直接預(yù)報(bào)洪峰水位，便于與警戒水位相關(guān)聯(lián)，是中小河流預(yù)報(bào)預(yù)警的有效方法。

3 典型河流實(shí)例

馬橋河是牡丹江市穆棱河右岸一級(jí)支流，具有典型的山溪性河流特點(diǎn)。發(fā)源于太平嶺西坡，上游叫西南溝，沿溝由西南流向東北，于穆棱市下城子鎮(zhèn)仁義村附近注入穆棱河。源頭海拔540 m，河流長(zhǎng)42 km，流域面積451 km2。沿程有支流狐貍迷河匯入。馬橋河下游河谷寬闊，土地肥沃，河口通常寬14 m，深0.9 m。

3.1 水文氣象特征

馬橋河流域?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，夏季溫?zé)釢駶?rùn)，冬季寒冷干燥，年平均氣溫2.5℃。多年平均降水量516.1 mm，降水的年際變化較大，歷年最大降水量為728.3 mm(1965年)，歷年最低降水量?jī)H351.9 mm(1979年)。降水主要集中在汛期6—9月，多年平均6—9月降水量為377.1 mm，約占年降水量的70%。歷年最大6—9月降水量564.0 mm(1965年)，歷年最小6—9月降水量188.8 mm(2005年)。

馬橋河洪水為典型的雨洪徑流，年最大洪峰集中出現(xiàn)在汛期6—9月，尤以7月份、8月份最為集中。洪水過程大多為單式洪峰，洪峰停留時(shí)間一般在30 min左右，漲、落水歷時(shí)都比較短，峰型尖瘦。

3.2 方案建立與評(píng)定

馬橋河流域預(yù)報(bào)斷面為馬橋河鎮(zhèn)水文站，上游有紅房子經(jīng)營(yíng)所、馬橋河鎮(zhèn)等8處雨量站。雨量資料系列為2017—2019年3年，具有較齊全的1 h雨量摘錄資料；水位資料系列為2017—2019年3年，有6—9月完整洪水過程水位資料。

根據(jù)雨量和水位資料，共選取馬橋河鎮(zhèn)水文站2017—2019年12場(chǎng)次單峰洪水過程。統(tǒng)計(jì)降雨起止時(shí)間、次雨量、起漲時(shí)間、起漲水位、洪峰水位、暴雨中心等多種水文要素，分析計(jì)算得出降雨歷時(shí)、面平均雨量、雨強(qiáng)、水位漲幅、峰現(xiàn)時(shí)間等預(yù)報(bào)因子。其中次洪水水位變幅能直接反應(yīng)洪峰水位，建立洪水預(yù)報(bào)方案時(shí)只需考慮水位變幅與其他預(yù)報(bào)因子關(guān)系。因此，選取水位變幅為因變量，面平均雨量、降雨歷時(shí)為自變量，組成多元線性回歸方程。其數(shù)學(xué)表達(dá)式(1)及意義如下：

Y=b0+b1X1+b2X2

(1)

式中：Y為水位變幅，m；X1為面平均雨量，mm；X2為降雨歷時(shí)，h；b0為常數(shù)系數(shù)；b1、b2為回歸系數(shù)。

通過多元線性回歸分析計(jì)算，檢驗(yàn)結(jié)果列于馬橋河鎮(zhèn)站回歸方程擬合度檢驗(yàn)和系數(shù)表中。由表1可知，復(fù)相關(guān)系數(shù)R為0.898，確定性系數(shù)R2為0.806，說明回歸方程代表性較好；回歸方程常數(shù)系數(shù)b0為0.536、回歸系數(shù)b1、b2分別為0.0325、-0.085，得出多元線性回歸方程式(2)為：

Y=0.536+0.0325X1-0.085X2 (2)

根據(jù)已選取的馬橋河鎮(zhèn)站2017—2019年12場(chǎng)次洪水要素?cái)?shù)據(jù)，把各場(chǎng)次洪水的面平均雨量和降雨歷時(shí)代入多元線性回歸方程式，計(jì)算出相應(yīng)場(chǎng)次洪水水位變幅估算值，并繪制水位變幅實(shí)測(cè)值與估算值擬合曲線圖，由圖1可見，實(shí)測(cè)值與估算值擬合度良好。

圖1 馬橋河鎮(zhèn)站水位變幅實(shí)測(cè)值與估算值擬合曲線圖

本方案以合格率進(jìn)行評(píng)定。根據(jù)得出的回歸方程，建立面平均雨量、降雨歷時(shí)與水位變幅線性關(guān)系表，建立馬橋河鎮(zhèn)站洪水預(yù)報(bào)方案。由回歸方程擬合率定結(jié)果可知，洪峰水位預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值擬合效果較好。在已選取2017—2019年12場(chǎng)次洪水中有10場(chǎng)次相對(duì)誤差小于允許誤差(水位變幅的20%)，合格率達(dá)到83.3%，該預(yù)報(bào)方案評(píng)定為乙級(jí)方案。馬橋河鎮(zhèn)站洪水預(yù)報(bào)方案評(píng)定結(jié)果見表2。

表2 馬橋河鎮(zhèn)站洪水預(yù)報(bào)方案評(píng)定

根據(jù)建立的洪水預(yù)報(bào)方案，對(duì)馬橋河鎮(zhèn)站2020年4場(chǎng)次洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)檢驗(yàn)，有3場(chǎng)次相對(duì)誤差小于允許誤差(水位變幅的20%)，合格率達(dá)到75%。檢驗(yàn)結(jié)果見表3、圖2。

表3 馬橋河鎮(zhèn)站2020年洪水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

圖2 馬橋河鎮(zhèn)站2020年洪水實(shí)測(cè)值與預(yù)報(bào)值擬合曲線圖

4 結(jié) 論

由于牡丹江市中小河流具有暴漲暴落、匯流時(shí)間短的特點(diǎn)，水文資料積累時(shí)間只有短短幾年，水文預(yù)報(bào)難度較大，水文預(yù)報(bào)模型難以取得好的效果。采用降雨量與洪峰水位相關(guān)，相關(guān)關(guān)系不很理想，引入降雨歷時(shí)參數(shù)，采用面降雨、降雨歷時(shí)與水位建立相關(guān)關(guān)系，降雨參數(shù)與洪峰水位相關(guān)建立洪水預(yù)報(bào)預(yù)警方案，具有涉及洪水要素少，直觀和簡(jiǎn)單實(shí)用，作業(yè)預(yù)報(bào)耗時(shí)短的優(yōu)勢(shì)，有效克服了山溪性中小河流洪水預(yù)見期短，為防洪減災(zāi)爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。通過馬橋河等中小河流實(shí)例驗(yàn)證，方案精度較高，此方法可較好應(yīng)用于具有相同特點(diǎn)中小河流洪水預(yù)報(bào)預(yù)警中。

此方法為洪水要素簡(jiǎn)易預(yù)報(bào)，應(yīng)進(jìn)一步加大水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集整理，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)科學(xué)等技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和作用，建立更加完善的洪水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)，為模型構(gòu)建提供有力的支撐，這是今后進(jìn)一步研討的方向。