基于分布式模型的流域洪水時(shí)空特征分析方法

摘要： 為加深對(duì)極端暴雨條件下流域洪水形成機(jī)理的理解與認(rèn)識(shí)，以“23·7”海河流域大清河特大洪水為例，提出一種基于分布式模型的流域洪水時(shí)空特征分析方法。采用時(shí)空變?cè)捶植际剿哪M方法，分別構(gòu)建覆蓋大清河南、北兩支的分布式水文模型，開展分組并行模擬。結(jié)果表明：14 個(gè)站點(diǎn)模擬洪峰誤差平均值小于5%，納什效率系數(shù)平均值為0.7，模擬結(jié)果較好?！?3·7”特大洪水大清河北支平均徑流系數(shù)為0.55，遠(yuǎn)高于南支流域（0.27），致災(zāi)洪量主要來自北支。北支流域在洪水過程中呈現(xiàn)超滲、蓄滿混合產(chǎn)流模式，當(dāng)該區(qū)域累計(jì)雨量超過107 mm 時(shí)，流域出現(xiàn)蓄滿地表產(chǎn)流，當(dāng)小時(shí)雨量超過15.3 mm/h 時(shí)，則可能出現(xiàn)超滲地表產(chǎn)流；對(duì)比大清河系南支，北支流域缺少大型控制性水利工程也是導(dǎo)致本次大清河特大洪水災(zāi)害發(fā)生的另一主要原因。

關(guān)鍵詞： 暴雨洪水；分布式模型；產(chǎn)流模式；時(shí)空變?cè)矗籠"23·7\"特大洪水；大清河

中圖分類號(hào)： TV122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1001-6791（ 2024） 05-0726-12

近年來，氣候變化影響下的極端暴雨事件發(fā)生頻率呈現(xiàn)逐年升高的趨勢(shì)，所導(dǎo)致的洪水災(zāi)害已成為對(duì)人類社會(huì)發(fā)展影響最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[1-4]。1990 —2022 年， 中國(guó)由洪澇災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約5.2 萬億元[5]。為了更好地應(yīng)對(duì)流域洪水災(zāi)害，需要通過復(fù)盤災(zāi)害過程，分析洪水形成機(jī)理，完善區(qū)域防洪減災(zāi)體系，提升防洪救災(zāi)能力。

在眾多對(duì)洪水災(zāi)害的模擬研究中，水文水動(dòng)力模擬及雨洪時(shí)空變化分析是被廣泛采用的復(fù)盤方法。通過水文模擬可以對(duì)洪水形成的多個(gè)環(huán)節(jié)復(fù)盤，相對(duì)準(zhǔn)確地重現(xiàn)水分遷移轉(zhuǎn)化過程，水動(dòng)力模擬則主要對(duì)水流的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析[6-8]。這些模擬方法相互配合，在不同地域的洪水復(fù)盤中展現(xiàn)了較高的適用性[9-13]。例如，郝思佳等[14] 提出基于水文水動(dòng)力模型的山洪災(zāi)害復(fù)盤策略對(duì)河南王宗店村“ 7·20”山洪災(zāi)害進(jìn)行分析，較好地理清了洪水的發(fā)生、發(fā)展過程；Zhong 等[15] 采用新安江水文模型結(jié)合IFMS（ Integrated Flood ModellingSystem） 水動(dòng)力模型對(duì)浦陽(yáng)河洪水進(jìn)行了模擬分析， 模擬水位誤差小于0.2 m； Dhanapala 等[16] 使用HECHMS（Hydrologic Engineering Center-Hydrologic Modelling System） 水文模型結(jié)合iRIC（ International River InterfaceCooperative）水動(dòng)力模型對(duì)尼爾瓦拉河洪水進(jìn)行了模擬，準(zhǔn)確率達(dá)到81.5%，驗(yàn)證了水文、水動(dòng)力模型聯(lián)合使用可以提升對(duì)區(qū)域尺度洪水的預(yù)報(bào)能力。通過將水文、水動(dòng)力模型相結(jié)合開展針對(duì)洪水災(zāi)害的復(fù)合模擬，可以發(fā)揮各模型優(yōu)點(diǎn)并提高模擬計(jì)算的精度與效率，是開展流域及城市等復(fù)雜區(qū)域洪澇模擬的優(yōu)選方法[17-19]。同時(shí)，為了更加全面地對(duì)流域洪水形成機(jī)理展開研究，一些學(xué)者也提出了雨洪時(shí)空特征分析方法。例如，王雪梅等[20] 提出了結(jié)合降雨、洪水特征指標(biāo)與水文模擬的流域洪水過程及其影響分析方法；Wang 等[21] 提出了基于趨勢(shì)分析、小波分析、Mann-Kendall 檢驗(yàn)等多種方法的中國(guó)沿海極端降水時(shí)空變化分析策略。目前，大多數(shù)的復(fù)雜流域洪水復(fù)盤分析基于相對(duì)獨(dú)立的技術(shù)框架，無論是采用水文水動(dòng)力模擬，還是利用數(shù)學(xué)方法對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，單一的技術(shù)方案較難實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的洪水精細(xì)化復(fù)盤要求。因此，需要提出一種多方法、多視角的綜合復(fù)盤方法對(duì)流域?yàn)?zāi)害成因進(jìn)行深入剖析。

本文以“ 23?7”海河流域大清河特大洪水為例，提出一種基于分布式模型的流域洪水時(shí)空特征分析方法，利用國(guó)產(chǎn)時(shí)空變?cè)捶植际剿哪Ｐ停?SKY-HydroSAT）結(jié)合暴雨時(shí)空特征分析對(duì)大清河“ 23?7”特大洪水過程中的流域產(chǎn)流模式變化開展研究，探明此次洪水災(zāi)害的形成機(jī)理及致災(zāi)要素，并為該河系未來防洪預(yù)案制定提供技術(shù)支撐。