區(qū)間來(lái)水大的河段洪峰預(yù)報(bào)方法探討

滕培宋

（廣西壯族自治區(qū)水文中心，南寧 530023）

漓江地處廣西主要暴雨區(qū)，且區(qū)間洪水與桂林水文站以上區(qū)域來(lái)水多重疊，同時(shí)桂林市城區(qū)至陽(yáng)朔縣城河段既沒有攔蓄洪水的水利工程，也沒有大型蓄滯洪區(qū)，造成漓江洪水頻發(fā)，高質(zhì)量做好陽(yáng)朔河段洪水預(yù)報(bào)，對(duì)保障陽(yáng)朔縣的經(jīng)濟(jì)發(fā)展及國(guó)內(nèi)外游客、當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全意義重大。陽(yáng)朔縣城河段洪水組成比較復(fù)雜，區(qū)間面積占比較大，區(qū)間來(lái)水量對(duì)該河段的洪水預(yù)警預(yù)報(bào)影響很大，故對(duì)此進(jìn)行深入研究十分必要。

1 桂江桂林市城區(qū)至陽(yáng)朔河段洪水概況

1.1 流域概況

桂江屬珠江流域西江水系，其中陽(yáng)朔縣以上河段又稱為漓江，發(fā)源于廣西興安縣華江鄉(xiāng)貓兒山東北面海拔1732 m（黃?；妫┑睦仙浇缒蟼?cè)[1]。流域面積18 729 km2，其中桂林市流域面積11 643 km2，河道干流全長(zhǎng)450 km，干流平均縱坡降0.41‰，河首彎曲系數(shù)1.85，河流繼續(xù)南流至梧州匯入西江[2]。其中桂林市城區(qū)至陽(yáng)朔縣城河段長(zhǎng)為75 km，河床比降約為0.1%。中間有集水面積為100～651 km2的黃沙河、澗沙河、潮田河、良豐河、興坪河、遇龍河等支流匯入。

2.2 氣候概況

桂江流域地處廣西桂北暴雨區(qū)，屬濕熱的亞熱帶季風(fēng)氣候。影響桂江流域的強(qiáng)降雨天氣系統(tǒng)主要有鋒面、切變線、低壓、低渦、高空輻合等。流域暴雨天氣系統(tǒng)具有一定季節(jié)性，一般4～6月為鋒面暴雨，往往伴隨著高空西風(fēng)槽和低渦共同作用；6～7月為渦切線，加上流域高大山脈的屏障和抬升作用，使鋒面靜止或來(lái)回?cái)[動(dòng)[3]。

2.3 洪水組成特征

桂江陽(yáng)朔河段洪水均為暴雨型洪水，由于桂江流域內(nèi)暴雨中心大多常出現(xiàn)在華江一帶，上下游暴雨同時(shí)性差，大洪水一般都由兩次或多次降雨形成，洪水上漲快，次洪水變幅大。如2008年6月大洪水，最大漲率達(dá)0.66 m/h，次洪漲幅達(dá)6.83 m。按桂林水文站以上流域降雨量P桂林站與桂林水文站至陽(yáng)朔水文站區(qū)間降雨量P桂林至陽(yáng)朔關(guān)系劃分，陽(yáng)朔水文站洪水可分為如下幾個(gè)類型：

（1）暴雨主要集中在桂林水文站以上區(qū)域型，P桂林站≥3P桂林至陽(yáng)朔，P桂林至陽(yáng)朔≤20 mm。

（2）陽(yáng)朔水文站以上流域同時(shí)降大雨或大暴雨型，20 mm＜P桂林至陽(yáng)朔＜1.5 P桂林站。

（3）暴雨主要集中在桂林至陽(yáng)朔區(qū)間區(qū)域型，P桂林至陽(yáng)朔≥1.5 P桂林站。

2 預(yù)報(bào)方案構(gòu)建

2.1 水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布置概況

陽(yáng)朔水文站于1967年3月設(shè)立，位于陽(yáng)朔縣陽(yáng)朔鎮(zhèn)木山榨村，集水面積5585 km2，其中桂林水文站至陽(yáng)朔水文站區(qū)間集水面積2823 km2，是桂江中游的控制站。調(diào)查最高水位115.55 m，相應(yīng)流量為8890 m3/s（1885年6月15日），實(shí)測(cè)最高水位為113.58 m，相應(yīng)流量為7350 m3/s（2017年7月2日）。區(qū)域監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)情況見圖1。

圖1 河段水系及水文監(jiān)測(cè)站布置示意圖

2.2 雨量站取用

將區(qū)間分為潮田、良豐、其它3個(gè)區(qū)域，潮田區(qū)域取松江、永同、新寨、彩爵、潮田等5個(gè)代表站；良豐區(qū)域取頭陂、仁和、良豐等3個(gè)站；其它取興垃、龍?zhí)?、?yáng)朔、潮田、桂林、良豐、大圩等12個(gè)代表站。每塊區(qū)域先采用算術(shù)平均法計(jì)算得到相應(yīng)時(shí)段平均降雨量，再用面積權(quán)重求得間區(qū)面平均降雨量[4]，這些計(jì)算過程已經(jīng)系統(tǒng)化，只須確定計(jì)算時(shí)段，取桂林水文站洪峰前12 h至桂林水文站峰現(xiàn)時(shí)間止，便可輸出成果。如2019年6月9日洪水過程面平均降雨量計(jì)算，潮田、良豐、其它3個(gè)區(qū)域降雨量分別為20、25、40.5 mm，則區(qū)間為（25×224+20×428+40.5×2 171）/2823=36.2 mm。

2.3 構(gòu)建方案洪水資料選用

選用2010—2019年陽(yáng)朔水文站洪峰水位在109.50 m以上及2008、2009年最大洪水，其中桂林水文站出峰后區(qū)間再降大暴雨的情況不參與，針對(duì)這一情況可另行編制方案，共計(jì)12場(chǎng)洪水。洪水過程均為遙測(cè)采集，并經(jīng)過匯編審查，雨洪配套資料可靠，雨洪資料成果見表1。

表1 構(gòu)建方案選用的雨洪資料

2.4 陽(yáng)朔水文站預(yù)報(bào)方案構(gòu)建

2.4.1 增量疊加回歸法

對(duì)于暴雨主要集中在桂林水文站以上區(qū)域型洪水，采用增量疊加回歸法構(gòu)建方案。經(jīng)分析，陽(yáng)朔水文站洪峰流量Q陽(yáng)朔m主要與桂林水文站洪峰流量、陽(yáng)朔水文站同時(shí)流量等有關(guān)，即Q陽(yáng)朔m=β（Q桂林m-Q起桂林）+Q起陽(yáng)朔，β為區(qū)間降雨量修正系數(shù)，取值0.94～1，區(qū)間降雨量10 mm以下為0.94，每增加3 mm，β值增加0.01。

2.4.2 動(dòng)態(tài)面積指數(shù)法

陽(yáng)朔水文站以上流域同時(shí)降大雨或大暴雨型洪水，采用動(dòng)態(tài)面積指數(shù)法構(gòu)建方案。動(dòng)態(tài)面積指數(shù)法的基本原理是水文比擬法，水文比擬法用于推算上、下游站洪峰流量[5]，常用公式為：

式中：Q陽(yáng)朔m為陽(yáng)朔水文站洪峰流量，m3/s；Q桂林m桂林水文站洪峰流量，m3/s；F陽(yáng)朔為陽(yáng)朔水文站集水面積，m2；F桂林為桂林水文站集水面積，m2；n為區(qū)間時(shí)段面平均降雨量相關(guān)系數(shù)，n=∫P區(qū)間面平均，隨區(qū)間面平均降雨量變化而變化，通常采用回定值；P區(qū)間面平均為區(qū)間面平均降雨量，mm。

對(duì)所選雨洪9場(chǎng)洪水逐場(chǎng)分析計(jì)算面積指數(shù)，采用試錯(cuò)法分析計(jì)算，取不同的n值，直至Q桂林m×（F陽(yáng)朔/F桂林）n=Q陽(yáng)朔m，此時(shí)的n值即為所求，由n與相應(yīng)的區(qū)間面平均降雨量點(diǎn)繪相關(guān)圖，過點(diǎn)群中心連成相關(guān)圖（見圖2）。

圖2 陽(yáng)朔間區(qū)面平均降雨量～動(dòng)態(tài)面積指數(shù)相關(guān)圖

2.4.3 區(qū)間降雨量回歸法

暴雨主要集中在桂林至陽(yáng)朔區(qū)間區(qū)域型洪水，采用區(qū)間降雨量回歸法構(gòu)建方案。經(jīng)分析，此類型洪水陽(yáng)朔水文站洪峰流量Q陽(yáng)朔m主要與區(qū)間暴雨、陽(yáng)朔水文站同時(shí)流量等有關(guān)。即Q陽(yáng)朔m=（Q桂林m-Q起桂林）+αP區(qū)間面平均降雨量+Qt陽(yáng)朔，α為區(qū)間降雨造峰模數(shù)，區(qū)間面平均降雨量大于等于150 mm時(shí)，取值22 mm。

2.4.4 方案檢驗(yàn)計(jì)算

對(duì)建立方案所選用的12場(chǎng)洪水作適用性檢驗(yàn)計(jì)算，根據(jù)區(qū)間面平均降雨量查圖2，得到對(duì)應(yīng)的面積指數(shù)n，代入式（1）式，即可計(jì)算得到陽(yáng)朔洪峰流量，與實(shí)測(cè)值之差即為計(jì)算誤差，也就是預(yù)報(bào)誤差。取預(yù)見期內(nèi)流量變幅的20%作為預(yù)報(bào)允許誤差，計(jì)算誤差小于允許誤差，則該次檢驗(yàn)預(yù)報(bào)合格，否則為不合格[6]。對(duì)所構(gòu)建的動(dòng)態(tài)面積指數(shù)法洪水預(yù)報(bào)方案進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明12場(chǎng)洪水預(yù)報(bào)誤差全部在允許誤差范圍內(nèi)，洪峰流量預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 洪峰流量預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果

2.5 構(gòu)建陽(yáng)朔水文站洪水傳播時(shí)間方案

選擇2010—2019年陽(yáng)朔水文站洪峰水位在109.00 m以上全部洪水資料及相應(yīng)桂林水文站長(zhǎng)洪水資料，逐場(chǎng)統(tǒng)計(jì)出陽(yáng)朔水文站出現(xiàn)洪峰至桂林水文站出現(xiàn)洪峰的時(shí)間，分析每場(chǎng)洪水影響傳播時(shí)間的主要因素，經(jīng)對(duì)比較分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于區(qū)間降雨量主雨時(shí)段主要在桂林水文站出現(xiàn)洪峰時(shí)已經(jīng)基本結(jié)束類型的情況，其洪水傳播時(shí)間與桂林水文站和陽(yáng)朔水文站的洪水量級(jí)有關(guān)，在此擬構(gòu)建以桂林洪峰水位、陽(yáng)朔洪峰水位為參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)回歸方程式方案。其基本表達(dá)式為：

式中：t陽(yáng)朔為桂林水文站至陽(yáng)朔水文站洪水傳播時(shí)間，h；Z桂林m為桂林水文站洪峰水位，m；Z陽(yáng)朔m為陽(yáng)朔水文站洪峰水位，m；C為常數(shù)。

采用電子表格LINEST函數(shù)作回歸方程分析，LINEST函數(shù)是使用最小二乘法對(duì)已知數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳直線擬合，并返回描述此直線的方程式及參數(shù)系數(shù)，從而求得洪水傳播時(shí)間的回歸方程式：

用所構(gòu)建的洪水傳播方程式即（3）式對(duì)選取的13場(chǎng)洪水傳播時(shí)間樣本進(jìn)行驗(yàn)算，按《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T 22482-2008）要求，峰現(xiàn)時(shí)間以預(yù)報(bào)根據(jù)時(shí)間（桂林水文站峰現(xiàn)時(shí)間）至實(shí)測(cè)洪峰出現(xiàn)時(shí)間之間時(shí)距的30%作為允許誤差，當(dāng)允許誤差小于3 h，則以3 h作為允許誤差。對(duì)所構(gòu)建的洪水傳播時(shí)間方案進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明13場(chǎng)洪水的傳播時(shí)間預(yù)報(bào)誤差全部在允許誤差范圍內(nèi)，傳播時(shí)間預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 洪水傳播時(shí)間預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果

3 預(yù)報(bào)方案應(yīng)用

2020年6～7月，桂北地區(qū)受低層低渦切變線、偏南急流、冷空氣南下等天氣影響，造成廣西桂北區(qū)域強(qiáng)暴雨頻發(fā)，暴雨區(qū)域高度重疊，6～7月間桂江反復(fù)出現(xiàn)超警戒洪水，桂江陽(yáng)朔縣城河段短短的35 d內(nèi)發(fā)生3次洪水過程。

3.1 6月6～7日洪水過程

受低層低渦切線影響，桂江流域普降大雨到暴雨，局地大暴雨到特大暴，暴雨中心位于桂林水文站上游，降雨從6月6日18時(shí)開始，主雨峰時(shí)段為6日20時(shí)～7日10時(shí)，這次過程主雨區(qū)在桂林至陽(yáng)朔區(qū)間，桂林以上面平均降雨量?jī)H為40.7 mm，而桂林至陽(yáng)朔區(qū)間面平均降雨量達(dá)162.8 mm，屬于典型的暴雨主要集中在桂林至陽(yáng)朔區(qū)間區(qū)域型洪水。

參數(shù)代入Q陽(yáng)朔m=（Q桂林m-Q起桂林）+αP區(qū)間面平均降雨量+Qt陽(yáng)朔，即Q陽(yáng)朔m=（749-707）+22×162.8+1400，計(jì)算得陽(yáng)朔水文站洪峰流量為5020 m3/s。查Z～Q關(guān)系曲線得陽(yáng)朔水文站相應(yīng)洪峰水位為112.30 m；將各參數(shù)代入（3）式，計(jì)算得傳播時(shí)間為11.9 h，即陽(yáng)朔水文站將于7日22時(shí)前后出現(xiàn)112.30 m左右洪峰水位。陽(yáng)朔水文站實(shí)際于7日18時(shí)出現(xiàn)112.32 m的洪峰水位。

3.2 7月11～12日洪水過程

受冷暖空氣交匯影響，桂江流域暴雨到大暴雨，局地特大暴，暴雨中心位于桂江華江至興坪之間，降雨從7月11日02時(shí)開始，這次過程主雨區(qū)在桂林水文站以上，桂林以上面平均降雨量達(dá)152.5 mm，而桂林至陽(yáng)朔區(qū)間面平均降雨量?jī)H為26.9 mm，屬于典型暴雨主要集中在桂林水文站以上區(qū)域型洪水。

參數(shù)代入Q陽(yáng)朔m=β（Q桂林m-Q起桂林）+Q起陽(yáng)朔，即Q陽(yáng)朔m=0.98×（2890-468）+309，計(jì)算得陽(yáng)朔水文站洪峰流量為2680 m3/s。查Z～Q關(guān)系曲線得陽(yáng)朔水文站相應(yīng)洪峰水位為109.10 m；將各參數(shù)代入式（3），計(jì)算得傳播時(shí)間為12.4 h，即陽(yáng)朔水文站將于12日16時(shí)前后出現(xiàn)109.10 m左右洪峰水位。陽(yáng)朔水文站實(shí)際于12日15時(shí)出現(xiàn)109.17 m的洪峰水位。

3.3 應(yīng)用預(yù)報(bào)成效評(píng)價(jià)

2020年6～7月間，在短短的30多天里，桂江陽(yáng)朔河段先后發(fā)生3次超警戒或接近警戒的洪水，特別是6月6～7日這次洪水過程，陽(yáng)朔縣城區(qū)出現(xiàn)了1967年建站以來(lái)實(shí)測(cè)第5大洪水，為近10 a一遇中洪水。在基于新安江及馬斯京根匯流的流域模型法，與桂林洪峰、陽(yáng)朔同時(shí)水位、面平均降雨量為參數(shù)的回歸方程式法等對(duì)以往同類型洪水預(yù)報(bào)成果誤差的實(shí)況，果斷采用本方法的預(yù)報(bào)成果，及時(shí)按區(qū)水文局與桂林市水文局、陽(yáng)朔中心水文站三級(jí)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，提前10多個(gè)小時(shí)發(fā)布陽(yáng)朔縣洪水預(yù)警預(yù)報(bào)，并針對(duì)西街、興坪碼頭等沿江旅游群眾密集區(qū)域發(fā)布定點(diǎn)精準(zhǔn)預(yù)警服務(wù)，為縣政府提前轉(zhuǎn)移人員和財(cái)物，實(shí)現(xiàn)人員零傷亡和財(cái)產(chǎn)損失最小化的目標(biāo)做出突出貢獻(xiàn)，得到桂林市領(lǐng)導(dǎo)高度評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)區(qū)間面積大、主暴雨區(qū)變化較多的河段，要取得更高預(yù)報(bào)精度結(jié)果，就必須根據(jù)實(shí)際洪水組成特征來(lái)分別構(gòu)建不同情況下不同預(yù)警預(yù)報(bào)參數(shù)的洪水預(yù)報(bào)方案，這是提高洪水預(yù)報(bào)精度的有效途徑。