山區性河流洪水預報模型研究及運用

胡志偉 胡小平

【摘 要】洪水預報是預防洪災的一個非常關鍵的途徑。由于我國的河流水系多，洪澇等災害頻發，對于洪水預報也必須給予相當的重視。對于山區性河流來說，由于受到地勢、環境等多方面因素的影響，其突發的洪水災害相對來說更為頻繁，因此，如何能夠建立起合理有效的山區性河流洪水預報模型，是防洪抗災工作當中需要高度關注的問題。本文將對我國目前的山區性河流洪水預報模型進行淺要的分析與研究。

【關鍵詞】山區性河流 洪水預報 模型 研究

在我國的國土面積當中，山丘區的面積占據了近百分之七十。由于山丘區的地形更為復雜、氣候條件更加惡劣等因素，導致各種山洪災害頻繁發生。其中，因強降水造成的泥石流、山洪、滑坡等災害引起的損失最為嚴重。山洪災害在帶來了巨大經濟損失的同時，還嚴重影響了山區人民的生活及安全。對于山區性河流洪水預報系統的建立與完善刻不容緩。目前，我國在大江大河洪水治理工作上面取得了越來越好的成效，相比較之下，對于山區性河流洪水預報模型的研究相對還比較落后。

1概況

江西地形以丘陵山地為主，屬于江南丘陵的主要組成部分。省內除了北部比較平坦之外，其東西南部三面環山，中部丘陵起伏，全省盆地、谷地廣布。同時，江西江湖眾多，全境有大小河流有兩千余條，總長度達1.84萬公里，包括贛江、撫河、信江、修河和饒河等，在其南高北低的地形有利于水源的匯聚，形成了以鄱陽湖為中心呈向心水系。由于水網稠密，又處于北回歸線附件，江西全省氣候溫暖，雨量充沛，年均降水量1341mm到1940mm。在汛期時河水暴漲，極容易泛濫成災，具有夏季豐水、冬季枯水、春秋過渡的特點。由于其徑流的年內分配主要集中在4月到6月之間，這段時間內降水非常集中，并且大多以暴雨形式出現，容易造成洪澇災害，嚴重制約了江西省的經濟發展。而目前，山區的經濟發展比較緩慢，技術條件不足，導致山區性河流洪水預報的系統還不夠完善，根本達不到防御洪災的要求。在這種情況下，對于山區性河流洪水防御模型的研究是當下非常迫切的問題。

2山區性河流洪水預報模型的參數優選

洪水預報系統是利用計算機來達成洪水預報工作的聯機作業，它通過對水情或雨情的準確快速收集及儲存，借助多種專業的數學模型來進行洪水預報以及河道洪水演進。在洪水預報模型當中包含模型結構、模型參數。模型結構，指的是模型的相關計算步驟和方式；模型參數能夠表現水域的相關水文特征，包括過程參數和地理參數。在對洪水預報模型率定參數進行確定時要綜合利用歷史資料和實時資料對參數進行率定、補充以及修正，從而最終確定預報模型的參數。在進行模型參數優選時，我們可以從參數優選和參數評定兩個方面入手。

進行山區性河流洪水預報模型的參數優選時，要在選定目標函數之后利用優化算法來進行求解，一般比較常用到的優化方法包括人工試錯法、交互式優選法以及自動優選法。人工試錯法，即先假設一組參數，在計算機上通過模擬、比較等方法反復循環地對參數進行調整，在重復多次的計算下選出最優的方案；自動優選法，是在不進行人工調試的情況下讓計算機按特定規律進行自動優選；交互式優選法，即以上兩種優選方法交互使用。參數評定是對優選出來的模型參數進行判斷來確定其是否達到最佳擬合，一般可以通過圖形顯示法和目標最佳擬合法來進行。圖形顯示法，即在用一張圖形對模擬值、實測值后通過目估來進行判斷；目標最佳擬合法中對洪水預報誤差有絕對誤差、相對誤差、確定性系數三種目標。其中確定性系數的計算公式為如下（其中 是計算值， 是實測值， 是實測值均值，n表示資料序列長度）：

在對洪水預報模型參數優選時用的的優化算法很多，最常用到的包括粒子群算法、遺傳算法、單純性算法等，可以根據山區性洪水預報的具體模型來進行合理的優化算法選擇。

3產流匯流的相關分析以及預報方案的建立

3.1產流匯流的相關分析

在進行產流和匯流數據的分析時，要對流域內的平均雨量和流域蒸發量進行計算。在對流域平均雨量進行研究時，需要根據具體山區性河流水系實際情況和流域洪水特征進行綜合的分析來確定計算的具體時段長度，計算平均雨量時可運用森泰多邊形法等計算方法。流域蒸發量的計算公式為：EPt=K·Et（其中EPt表示流域蒸發量，Et表示流域時段水面蒸發量，單位均為mm；K表示蒸發折算系數）同時要針對山區性河流當中具有代表意義的部分場次洪水退水段進行綜合退水曲線、前后時段流量的相關曲線的制作，在此基礎上運用直線斜割法等來對場次洪水的基流進行切割。

3.2預報方案的建立

預報方案可以通過多種方法來進行建立，針對山區性河流洪水主要可以采用水箱模型法，降雨徑流相關法，產、匯流模型法等方法。

（1）水箱模型法。水箱模型，又稱坦克模型或者黑箱模型，它是一種通過降雨的過程來計算徑流過程的降雨徑流模型。目前水箱模型法是流域水文模型當中被運用得比較廣泛的一種模型。在山區性河流洪水預報模型的建立當中，由于山區的地形復雜，小河流眾多，使用水箱模型法可以把山區復雜的降水徑流過程簡單地慨化成流域的蓄水和出流關系，并在此基礎上進行模擬，針對山區小流域的降水、水循環、徑流等等水文特性來建立串聯水箱模型，通過串聯水箱模型來對流域的降水徑流過程進行模擬并計算流域的徑流量，同時結合河流水質模型來綜合模擬河流流量及主要水質指標變化。水箱模型用于小流域的徑流模擬比較準確，它可以與水質模型結合起來使用。在使用水箱模型法進行預報時，要采用前后時段流量相關法等方式并結合后期的降雨等，對預報洪水的退水段進行相應的修改。

（2）降雨徑流相關法。運用降雨徑流相關法時，要根據山區性河流具體的次洪降雨徑流來建立起上層出流系數與洪峰數量、造峰雨量和洪峰流量等降雨徑流的相關關系，利用這些相關關系來對該河流的次洪徑流量進行直接的預報，同時也能夠對其他的預報結果做出檢驗。這種方法可以綜合反映出山區性河流流域的降雨徑流與前期土壤當中的含水量間的關系。在進行降雨徑流相關圖的制作時要將前期的影響雨量作為參數，使誤差降低到最小。

（3）產、匯流模型法。根據山區性河流的多場洪水的相關數值來分析初損IO值，計算穩定入滲率、凈雨量、起漲流量、上層蓄泄系數和下層蓄泄系數。其中上層蓄泄系數還受到流域內多年平均降雨量、流域面積以及河道坡度等方面的綜合影響。在對相同時刻的河流上層流量與下層流量進行相加后便可以實現預報洪水的過程，預報洪峰的流量就是其最大流量值。

在進行山區性河流洪水預報模型的建立過程中，要對各種方案進行反復的比較與篩選，根據方案具體的評定結果來選擇出首選方案，并將其他有一定效果的方案作為輔助方案。

4結語

綜上所述，山區性河流洪水預報模型的建立與完善是目前洪水預報工作中刻不容緩的一項工作。通過對山區性河流洪水預報模型的研究可以將眾多無資料的小流域單位線以及河段洪水的演算模型參數估算的方法運用到洪水的過程模擬當中，從而對以往的只能對有資料的地區河流進行洪水預報的缺陷進行彌補。在建立山區性河流洪水預報模型時，要對多種洪水預報模型進行充分的了解與掌握，根據山區性河流的實際情況選擇適當、合理的方案來完善模型，從而實現對山區性河流洪水災害的準確及時的預報，減少因洪災而產生的社會、經濟損失，為山區居民的生活與安全提供良好的保障。

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