摘 要:近年來(lái),顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的極端天氣突發(fā)事件頻繁出現(xiàn),基層水文作為應(yīng)急搶險(xiǎn)先遣隊(duì)員,必須擔(dān)負(fù)突發(fā)災(zāi)害情況下快速監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的重任。針對(duì)鄂西北山區(qū)中小河流無(wú)水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、少數(shù)中小河流建站年限較短、系列資料不足的情況,參考API模型構(gòu)造原理快速構(gòu)建了鄂西北山區(qū)無(wú)資料中小河流洪水預(yù)報(bào)方案,選取縣河站進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,構(gòu)建的洪水預(yù)報(bào)方案在鄂西北山區(qū)無(wú)資料中小河流作業(yè)預(yù)報(bào)中取得了較好的應(yīng)用效果,研究成果可為地方防災(zāi)救災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。
關(guān)鍵詞:洪水預(yù)報(bào);鄂西北山區(qū);無(wú)資料;中小河流;快速構(gòu)建
中圖分類號(hào):P338" " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A" " " " " " " doi:10.19679/j.cnki.cjjsjj.2025.0109
0 引言
十堰市位于湖北省西北部,地處我國(guó)氣候南北分水嶺秦嶺南側(cè)的秦巴山區(qū),屬亞熱帶季風(fēng)氣候?,F(xiàn)轄1市、4縣、3區(qū),面積2.36萬(wàn)km2,人口約320萬(wàn)。十堰地區(qū)流域面積50 km2以上的河流共153條,除了漢江、堵河、丹江,其他均為中小河流。在城市化、氣候變化、人類活動(dòng)等多方因素的影響下,特大洪水發(fā)生頻率越來(lái)越高[1-2]。
目前,十堰地區(qū)僅有6條河流有洪水預(yù)報(bào)方案,轄區(qū)內(nèi)星羅棋布的中小河流大多無(wú)水文站點(diǎn)監(jiān)控,亦無(wú)洪水預(yù)報(bào)方案,一旦發(fā)生洪澇災(zāi)害事件,如2011年6月房縣上龕鄉(xiāng)平渡河山體滑坡形成堰塞湖、2019年8月鄖陽(yáng)區(qū)青龍山李家溝特大暴雨山洪、2021年9月竹溪縣匯灣河大(2)型水庫(kù)鄂坪水庫(kù)出現(xiàn)險(xiǎn)情,作為應(yīng)急搶險(xiǎn)先遣隊(duì)的基層水文部門需要快速構(gòu)建這些無(wú)資料中小河流洪水預(yù)報(bào)方案,并實(shí)施洪水預(yù)報(bào)??煽康暮樗A(yù)報(bào)是防洪決策的重要依據(jù)[3],是減少甚至避免洪水破壞的第一道防線。因此,研究山區(qū)無(wú)資料中小河流洪水預(yù)報(bào)模型,對(duì)于當(dāng)?shù)卣岣唢L(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和處置能力,保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全起著十分重要的作用。
在水文學(xué)研究及實(shí)際工程應(yīng)用中,現(xiàn)有水文模擬與預(yù)報(bào)方法或模型大都依賴于流域?qū)崪y(cè)的水文氣象、地形地貌等資料,相較于水文資料充足的地區(qū),更常見(jiàn)且更有挑戰(zhàn)性的是對(duì)資料匱乏流域進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)[4]。為了解決無(wú)資料或資料匱乏地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)問(wèn)題,近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究,例如水文模型與水動(dòng)力模型耦合、廣義單位線、基于伽瑪分布的GIUH模型等,新方法暫未推廣到基層水文部門。前期雨量指數(shù)(Antecedent Precipitation Index,API)模型與新安江模型因概念明確、易于建模,在基層水文部門得到了廣泛運(yùn)用。新安江模型率定簡(jiǎn)單、速度快且準(zhǔn)確度高,但對(duì)歷史數(shù)據(jù)的參照性與依賴性較強(qiáng);API模型則需要至少10 a以上足夠場(chǎng)次歷史洪水資料,在無(wú)資料流域應(yīng)用受到限制。時(shí)段單位線為單位時(shí)段內(nèi)均勻降單位凈雨在流域出口斷面形成的過(guò)程線,多用經(jīng)驗(yàn)曲線表示,對(duì)水文資料的依賴性較強(qiáng)[5];Nash 單位線由分布均勻、歷時(shí)趨近無(wú)窮小但總量為1個(gè)單位的凈雨所形成,是匯流計(jì)算常用方法之一[6-7]。隨著GIS技術(shù)發(fā)展,基于地形地貌信息可直接推求Nash單位線匯流模型參數(shù)[8]。針對(duì)應(yīng)急狀態(tài)下中小河流無(wú)資料的特點(diǎn),可將鄰近流域有資料站點(diǎn)降雨徑流相關(guān)產(chǎn)流模型和基于地形地貌特征的Nash單位線匯流模型進(jìn)行耦合,構(gòu)建無(wú)資料地區(qū)中小流域洪水預(yù)報(bào)模型。
1 洪水預(yù)報(bào)模型構(gòu)建
產(chǎn)流方案采用以前期影響雨量Pa為參數(shù)的降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法建立。匯流方案采用瞬時(shí)單位線法與經(jīng)驗(yàn)單位線法。
1.1 流域參數(shù)提取與量算
在無(wú)資料河流,可以采用ArcGIS軟件的水文分析模塊(Hydrology)快速提取流域水文特征值來(lái)建立地表水的運(yùn)動(dòng)模型。GIS對(duì)DEM流域水文特征的提取,包括洼地填充、水流方向的確定、水流長(zhǎng)度計(jì)算、匯流累積量計(jì)算、河網(wǎng)的提取等。
1.2 產(chǎn)流量計(jì)算
以主要影響因素作為參變量,建立降雨量P與產(chǎn)流量R之間定量的相關(guān)關(guān)系。常用的參變量有前期影響雨量指數(shù)Pa,即R=f(P,Pa),計(jì)算方式為降水扣除損失產(chǎn)生凈雨的過(guò)程,需要選取多場(chǎng)大、中、小不同量級(jí)洪水,計(jì)算每場(chǎng)洪水的P、Pa、R,構(gòu)建P-Pa-R三變量相關(guān)關(guān)系。
1.3 匯流計(jì)算
1.3.1 Nash單位線
Nash單位線匯流模型采用瞬時(shí)單位線法推求,把流域匯流的調(diào)蓄作用模擬為n個(gè)相同的線性串聯(lián)水庫(kù)。通過(guò)脈沖函數(shù)及拉普拉斯變換,得出瞬時(shí)單位線的方程為式中:t為時(shí)刻;u(0,t)為t時(shí)刻瞬時(shí)單位線縱高;為伽馬函數(shù);K為自然庫(kù)線性蓄洪方程的匯流歷時(shí)(反映流域匯流時(shí)間參數(shù)或調(diào)蓄系數(shù));n為線性水庫(kù)的個(gè)數(shù)(調(diào)節(jié)次數(shù)或調(diào)節(jié)系數(shù))。n、K是反映流域匯流特性的參數(shù),可通過(guò)地形地貌參數(shù)確定。
1.3.2 經(jīng)驗(yàn)單位線
單位線的兩個(gè)基本假定:如單位時(shí)段內(nèi)的凈雨量rd不是一個(gè)單位而是k個(gè)單位,則形成的流量過(guò)程是單位線縱坐標(biāo)的k倍,即倍比假定;如果凈雨rd不是一個(gè)時(shí)段而是m個(gè)時(shí)段,則形成的流量過(guò)程是各時(shí)段凈雨形成的部分流量過(guò)程錯(cuò)時(shí)段相加,即疊加假定。由假定得到如下關(guān)系:
式中:Qdi為流域出口斷面時(shí)段末直接徑流量(m3/s);q為單位線時(shí)段末流量(m3/s);j為凈雨時(shí)段數(shù)
(j=1,2,3,…,m);i為單位線底長(zhǎng)的時(shí)段數(shù)
(i=1,2,3,…,n)。
由式(2)可知,如果單位線已知,即可由凈雨過(guò)程轉(zhuǎn)化為出流過(guò)程線。
2 應(yīng)用實(shí)例
2.1 研究區(qū)概況
縣河流域位于鄂西北十堰市西南部,系漢江中游上段堵河水系支流,流域集水面積1 522 km2,平均高程771 m??h河水文站(109°54′E、32°19′N)2013年1月建站,屬二類精度站,集水面積792 km2,平均坡降7.4‰。流域內(nèi)山巒起伏,地勢(shì)西北高、東南低,河床切割較深,干流具有水急坡陡的特點(diǎn)??h河水文站以上流域設(shè)有周家院、安河塘、黃土梁、八道關(guān)、石底河、大橋、秦古、花竹8個(gè)雨量站??h河水文站以上?。?)型及以上水庫(kù)25座,控制面積占水文站控制面積的56.4%。流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū),山地氣候的特色比較明顯,多年平均降水量892.9 mm;5—10月份為汛期,其中7—9月份為主汛期。
2.2 資料情況
本文DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于Earthdata官網(wǎng)、地理空間數(shù)據(jù)云官網(wǎng)等網(wǎng)站。歷史場(chǎng)次洪水的降雨和流量資料分別從流域內(nèi)的雨量站和水文站獲得,降雨資料作為模型的輸入,流量資料主要用來(lái)驗(yàn)證洪水預(yù)報(bào)模型。用泰森多邊形法確定各個(gè)雨量站的面積權(quán)重系數(shù),計(jì)算流域平均降雨量。降雨和流量資料時(shí)間步長(zhǎng)為1 h。
2.3 產(chǎn)流模型
縣河流域?qū)儆跐駶?rùn)地區(qū),雨量充沛,植被良好,具有蓄滿產(chǎn)流的特點(diǎn),但水利工程和人類活動(dòng)影響較大,因此產(chǎn)流模型較適合采用以前期影響雨量Pa為參數(shù)的降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法建立。因縣河水文站設(shè)立以來(lái)未收集到大洪水資料,且洪水場(chǎng)次較少,無(wú)法建立基于本站實(shí)測(cè)資料的降雨徑流經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,故借用鄰近流域有長(zhǎng)系列資料水文站產(chǎn)流模型。
鄰近流域有官渡河流域、龍王河流域,其中,官渡河流域控制站老碼頭水文站集水面積1 854 km2,官渡河與縣河均為扇狀水系,但兩站集水面積相差較大;龍王河流域延壩水文站集水面積598 km2,龍王河為羽狀水系,與縣河水文站集水面積接近,兩條河流分布在同一分水嶺左右,作為參證站較合適。采用延壩水文站1987—2020年34 a共61場(chǎng)次洪水資料建立降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)模型。
采用流域內(nèi)周家院、安河塘、黃土梁、八道關(guān)、石底河、大橋、秦古、花竹、縣河9站雨量按面積加權(quán)平均,求得整個(gè)流域面雨量P。流域前期影響雨量遞減系數(shù),其中,Em為流域蒸散發(fā)能力,Im為最大初損值,Im取80 mm,Em采用延壩站水文多年月平均蒸散發(fā)能力分析值,由公式Pa,t+1=K(Pt+Pat),其中,Pat為t日的前期影響雨量,Pa,t+1為t+1日的前期影響雨量,計(jì)算出前期影響雨量Pa,由P、Pa查降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)圖,得到場(chǎng)次凈雨R及分布過(guò)程。
2.4 匯流模型
匯流模型采用瞬時(shí)單位線法和經(jīng)驗(yàn)單位線法建立。
2.4.1 流域基本信息提取
根據(jù)ArcGIS水文分析原理對(duì)流域水文特征進(jìn)行提取,首先對(duì)流域原始DEM進(jìn)行“填洼”處理,將洼地內(nèi)的所有柵格單元墊高至洼地周圍最低鄰接?xùn)鸥駟卧母叱?,從而生成新的“無(wú)洼地”DEM,應(yīng)用無(wú)洼地DEM生成水流方向矩陣,完成水流長(zhǎng)度提取,生成水流長(zhǎng)度圖。按照自然水流從高處流往低處的自然規(guī)律,根據(jù)區(qū)域地形的水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算每點(diǎn)處所流過(guò)的水量,即得到該區(qū)域的匯流累積量?;趨R流累積量數(shù)據(jù),根據(jù)不同級(jí)別的溝谷設(shè)定不同的閾值生成河網(wǎng)。
2.4.2 瞬時(shí)單位線
(1)Nash單位線匯流模型參數(shù)計(jì)算。采用GIS工具根據(jù)DEM提取流域基本信息,縣河流域河長(zhǎng)68.34 km,比降7.4‰,集水面積792 km2,根據(jù)《湖北省暴雨徑流查算圖表》,縣河水文站屬于湖北省水文氣象分區(qū)第11區(qū),所在地區(qū)為非喀斯特地區(qū),根據(jù)所在水文分區(qū)選用公式 m1=1.64F 0.231L0.131J -0.08,n=0.529F 0.25J 0.2,其中,m1為n和K的乘積,F(xiàn)為流域面積,J為主河道平均比降,計(jì)算求得匯流參數(shù)m1=14.37,n=4.3。
(2)Nash時(shí)段單位線推求。根據(jù)參數(shù)n和K推求Nash瞬時(shí)單位線,然后通過(guò)S曲線將Nash瞬時(shí)單位線轉(zhuǎn)換為1 h時(shí)段單位線。
2.4.3 經(jīng)驗(yàn)單位線
基于延壩水文站資料,采用試錯(cuò)法推求縣河水文站經(jīng)驗(yàn)單位線。考慮該流域洪水過(guò)程峰型特性,計(jì)算時(shí)段Δt=1 h,單位凈雨為10 mm。盡量選取延壩站近年單峰、降雨時(shí)段少的場(chǎng)次洪水,推算各場(chǎng)次洪水的時(shí)段單位線,并綜合為1條時(shí)段綜合單位線(見(jiàn)圖1)。
2.5 次洪模擬及結(jié)果分析
將縣河流域視為無(wú)實(shí)測(cè)徑流資料流域,采用構(gòu)建的縣河流域洪水預(yù)報(bào)模型進(jìn)行場(chǎng)次洪水流量過(guò)程模擬,將結(jié)果與實(shí)測(cè)流量過(guò)程進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證洪水預(yù)報(bào)模型在縣河流域的適應(yīng)性。因縣河水文站建站僅11 a,選用建站以來(lái)全部整編資料(2013—2023年)19場(chǎng)歷史洪水過(guò)程進(jìn)行預(yù)報(bào)模擬計(jì)算,模擬結(jié)果見(jiàn)表1。圖2為部分場(chǎng)次洪水過(guò)程模擬結(jié)果。
以洪峰流量相對(duì)誤差、峰現(xiàn)時(shí)間絕對(duì)誤差為模擬判別指標(biāo)。鑒于該流域面積不大、洪水歷時(shí)較短,按實(shí)測(cè)洪峰20%作為洪峰預(yù)報(bào)許可精度、3 h作為峰現(xiàn)時(shí)間許可誤差。
從表1顯示的模擬結(jié)果來(lái)看,縣河水文站有13場(chǎng)洪水實(shí)測(cè)徑流深與計(jì)算徑流深的絕對(duì)誤差在許可誤差范圍內(nèi),合格率73.68%;14場(chǎng)洪水洪峰流量預(yù)報(bào)合格,合格率78.95%;14場(chǎng)峰現(xiàn)時(shí)間預(yù)報(bào)合格,合格率78.95%。
2.6 對(duì)比分析與討論
從縣河站2013—2022年實(shí)測(cè)資料系列中挑選單峰、降雨時(shí)段少的場(chǎng)次洪水,分析出2條時(shí)段單位線,即A線與B線,見(jiàn)圖3。
鑒于縣河水文站實(shí)測(cè)洪水場(chǎng)次不足以建立降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)關(guān)系,在產(chǎn)流模型借用鄰站降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)關(guān)系不變的情況下,調(diào)整匯流方法,分別是縣河水文站實(shí)測(cè)資料分析的單位線(A線與B線)與縣河瞬時(shí)+縣河實(shí)測(cè)資料分析單位線(A線與B線),用這兩種模式分別模擬上述19場(chǎng)洪水過(guò)程,對(duì)比分析3種不同匯流模式的模擬演算結(jié)果,見(jiàn)表2。
由表2可知,采用縣河瞬時(shí)+縣河實(shí)測(cè)資料分析單位線(A線與B線)模擬的洪峰流量合格率為84.21%,峰現(xiàn)時(shí)間合格率為78.95%;采用縣河實(shí)測(cè)資料分析單位線(A線與B線)模擬的洪峰流量合格率為63.16%,峰現(xiàn)時(shí)間合格率為57.89%;而縣河瞬時(shí)+借用延壩模擬的洪峰流量合格率為78.95%,峰現(xiàn)時(shí)間合格率為78.95%,介于兩者之間。采用縣河實(shí)測(cè)資料分析單位線模擬的精度不高,與實(shí)測(cè)資料系列不長(zhǎng)、適合分析單位線的場(chǎng)次洪水不足有關(guān)。在無(wú)資料的情況下,縣河瞬時(shí)+借用鄰近延壩水文站匯流模型模擬的結(jié)果達(dá)到了乙等作業(yè)洪水預(yù)報(bào)要求標(biāo)準(zhǔn),且在場(chǎng)次洪水模擬中峰現(xiàn)時(shí)間誤差最低。
由此可見(jiàn),借用鄰近相似流域降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)關(guān)系,采用瞬時(shí)單位線+借用鄰站經(jīng)驗(yàn)單位線構(gòu)成的產(chǎn)匯流模型,在所選流域洪水預(yù)報(bào)適應(yīng)性較好,達(dá)到了乙級(jí)洪水預(yù)報(bào)要求標(biāo)準(zhǔn),可用于應(yīng)急搶險(xiǎn)洪水預(yù)報(bào)。
3 結(jié)束語(yǔ)
以鄂西北典型山區(qū)小流域縣河流域?yàn)槔?,選取縣河水文站建站以來(lái)的19場(chǎng)洪水情況進(jìn)行模擬,結(jié)果表明,無(wú)資料地區(qū)借用鄰站產(chǎn)流方案+瞬時(shí)單位線(鄰站經(jīng)驗(yàn)單位線)構(gòu)建的預(yù)報(bào)模型,達(dá)到乙級(jí)作業(yè)預(yù)報(bào)要求標(biāo)準(zhǔn),該方法簡(jiǎn)單實(shí)用,便于基層水文部門操作,可以為無(wú)資料河流應(yīng)急搶險(xiǎn)預(yù)報(bào)提供借鑒。山溪性河流匯流時(shí)間短,如何加快推進(jìn)遙感、激光雷達(dá)等觀測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)云中雨、落地雨、本站洪水監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào),進(jìn)一步延長(zhǎng)洪水預(yù)見(jiàn)期、提高洪水預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度,仍待探討。
參考文獻(xiàn):
[1] 張建云,王銀堂,賀瑞敏,等.中國(guó)城市洪澇問(wèn)題及成因分析[J].水科學(xué)進(jìn)展,2016,27(4):485-491.
[2] FLETCHER T D,ANDRIEU H,HAMEL P.Understanding,Management and Modelling of Urban Hydrology and Its Consequences for Receiving Waters:a State of the Art[J].Advances in Water Resources,2013,51:261-279.
[3] PILON P J.Guidelines for Reducing Flood Losses.United Nations International Strategy for Disaster Reduction (UNISDR)[Z/OL].[2024-03-28].https://sustainabledevelopment.un.org/content/documents/flood_guidelines.pdf.
[4] 龔珺夫,陳紅兵,朱芳,等.新安江模型在資料匱乏的長(zhǎng)江中下游山區(qū)中小流域洪水預(yù)報(bào)應(yīng)用[J].湖泊科學(xué),2021,33(2):581-594.
[5]許營(yíng)營(yíng),王金星,侯東儒,等.廣義單位線在山洪模擬中的適用性分析[J].水文,2024,44(1):9-16.
[6] CHEN Y B,SHI P,JI X M,et al. New Method to Calculate the Dynamic Factor-flow Velocity in Geomorphologic Instantaneous Unit Hydrograph[J].Scientific Reports,2019,9(1):14201.
[7] 葛維亞,陳昌春.以單位線為主的匯流研究回顧:兼論黃萬(wàn)里“瞬時(shí)過(guò)程線”[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2021,27(11):24-27.
[8] 芮孝芳.利用地形地貌資料確定Nash模型參數(shù)的研究[J].水文,1999,19(3):6-10.
收稿日期:2024-03-29
作者簡(jiǎn)介:陳端丹,女,高級(jí)工程師,本科,主要從事水文情報(bào)預(yù)報(bào)、水文分析計(jì)算、應(yīng)急方面的研究。E-mail:11492390@qq.com
Abstract:Extreme weather emergencies,which have challenged conventional perceptions,have become increasingly frequent in recent years. As advance organizers for emergency rescue,grass-roots hydrological institutions should undertake the important task of rapid monitoring and forecasting in sudden disaster situations. In the mountainous areas of Northwest Hubei Province,some small and medium-sized rivers lack hydrological monitoring stations,or have recently established stations,or suffer from insufficient data series. In view of this,we rapidly constructed a flood forecasting scheme for these small and medium-sized rivers based on the principles of API model and verified the scheme by using county river stations. The results show that the constructed flood forecasting scheme performs well in ungauged small and medium-sized rivers in the mountainous area of Northwest Hubei,providing a scientific basis for local disaster prevention and relief.