基于分布式水文模型的云南省中小河流洪水預報技術探究

云南省水文水資源局玉溪分局

摘要：目前中小河流的洪水預報工作受站點、資料等多方面影響，預報精度普遍不高，已成為水文預報工作發展的一個瓶頸，也是其成長關鍵點。本文對云南省中小河流區域洪水預報工作的特點和難點進行剖析，梳理了中小河流洪水預報工作的思路、模型以及措施，在部分中小河流流域進行了分布水文模型洪水預警預報的相關實驗研究，并對今后云南省中小河流洪水預報工作提出了自己的想法。

關鍵詞：分布式水文模型；云南省；中小河流；洪水預報

云南省地處云貴高原，山地高原占全省總面積的94%，眾多河流遍布其間。受地形地勢、氣候更替和人類活動影響，山丘地區經常會發生暴雨導致的洪水災害，從而造成嚴重的經濟人員損失，尤其是中小河流區域內暴雨導致的洪水更容易發生。近年來中小河流暴雨導致的洪水災害已經成為人員傷亡的首要災害類型，嚴重制約了云南省社會經濟的可持續發展。因此，及時進行科學的中小河流暴雨洪水預警預報，對幫助山丘地區的人民保證其生命、財產安全有著極為重要并且不可替代的意義，更是目前中小河流區域最現實、可行的避免災害非工程辦法之一。

一、云南省中小河流洪水預報工作的現狀與難點分析

隨著云南省中小河流水文監測系統項目的建設完成，各水文、水位以及雨量站已逐步投入運行。為切實發揮這些中小河流水文站點的洪水預警預報功能，云南省水文水資源局組織編制了210條重點中小河流217個斷面的洪水預報預警工作方案，依托《中國洪水預報系統》分別建立了每個斷面對應的洪水預報模型。目前采用的主要是三水源新安江模型、BP神經網絡以及VIC分布式產流+ UH_B地貌單位線匯流三種方法。受限于雨量站點的代表性、資料年限以及水利工程的調蓄影響，預報精度普遍不高，尤其是人類社會活動對自然產匯流的影響逐年加大，導致洪峰洪量的擬合效果也較差，所以在定量預報不易完成的情況下，如何最大性質的發揮定性預報的作用也是我們需要研究的。

目前有關中小河流的洪水預報工作已成為水文預報工作發展的某種瓶頸，也是其成長關鍵點。中小河流洪水的數量多、突發性強、成災快、預見期短等特點注定了其洪水預報不能簡單的照搬大江大河相關洪水預報的方法措施。云南省中小河流洪水預報的技術難點可概括為以下幾個方面。

（1）受歷史站網密度不足影響，中小河流流域內幾乎沒有相應的水文站點，無系列可用的水文資料，多屬無資料地區，對各類預報模型的參數定制，尤其是傳統集總式水文模型如新安江模型的建立有著致命影響。

（2）中小河流一般地處山丘區，受地形地勢限制，站網密度不均。即使目前雨量站點的布設已較密集，但其在中小河流區域內的代表性和面雨量的計算方面也存在各種問題。尤其是近年來單點暴雨頻發，而對于這些單點暴雨的相應氣象預報無法滿足水文預報的實際要求。

（3）中小河流洪水與降水對應關系極為明顯。受降水不均影響，中小河流洪水發生地點變化無常，經常會出現某個小支流或某一段區域內局部洪水而非主流的出口或入口，加之中小河流洪水多呈陡漲陡落的山區性洪水特性，其產匯流歷時極短，幾個小時甚至一個小時內就完成一次洪水漲落過程，因此很難被預知，慣例水文六小時報汛的方法是無法有效及時對洪水災害進行科學有用的預報的[1]。

（4）目前的預報工作中，無論使用哪種方法，都離不開預報人員對預報對象的熟悉掌握和豐富的工作經驗。這就導致中小河流洪水預報工作無法形成一個統一的技術要求和預報方法，而對人員固定的要求較高，一旦出現人員變動就會對預報工作的連續性產生極大影響。同時，因沒有專用于中小河流的洪水預報方法，在預報工作中都是將現有通用的水文模型或者是集總模型直接作用在這些中小河流的洪水預報中，缺少針對性，其模型參數多為移用甚至套用經驗參數，不能夠有效適應中小河流的洪水特征，故其預見期和預報精度均難以滿足實際需求。

由上可知，雖然現在的水文預報方法很多，但在中小河流流域洪水的預報應用中卻難以取得良好的效果。隨著計算機、3S技術的發展成熟，流域網格內的下墊面信息逐漸可通過計算機自動獲取，結合建立分布式的水文模型，將會有效解決中小河流洪水預報工作中存在的各項問題。

二、分布式水文模型的定義簡介

分布式流域水文模型主要思路是將流域逐步分開，分為幾條網格，針對各個網格輸入對應的不同降雨，根據每個網格中的土壤、植被以及高程等不同形式，也就是不同的下墊面條件，對各個網格選擇不一樣的產流計算參數來進行核算，從而知道其產流量；經過和相鄰網格的高程進行比較從而斷定每個網格的流向。再依據每個網格的糙率、比降以及土壤狀況等來計算其相應的匯流參數，將其徑流推演至流域出口斷面，從而了解到流域出口斷面徑流的整個過程。分布式流域水文模型的參數需要根據很多實際情況來制定，例如地貌數據、地勢數據以及歷史洪水實際數據資料等等。

三、建立分布式水文模型的方法探究

分布式水文模型的建立是一項系統工程。主要應包括流域網格劃分、下墊面信息自動獲取、計算機程序編寫、水文過程模擬、參數定制、模型驗證及評價等幾個步驟及模塊。建立過程中一定要注意各個節點連接之間的統籌規劃，做好各項前期準備工作。

（一）建立分布式水文模型的具體流程

在建立模型之前，其實分布式水文模型也同其他水文模型一樣，一般都是遵循著水文模型的建模步驟。但在建之前，一定要對流域水文循環的過程有一個明確的了解和判斷，就比如說如果是在頭腦中勾畫出模型的藍圖，首先就必須要確定這個模型中要包括哪些主要的水文過程，在確定了之后，就要知道這些過程要以什么樣的方式來表達，比如在這個模型當中到底要不要加入融雪模塊？流域的產流模式是蓄滿產流還是超滲產流？因此，勾畫模型的藍圖就一定需要建模者對其有足夠的認識，包括經驗、數據資料的整合情況以及對研究區的確切認識，也就是說建模者一定要能熟悉掌握整個水文循環過程，否則就會影響到模型模擬水文過程的擬合程度以及合理性。

要實現對水文過程進行定量模擬的目的，就需要確定各個關于水文過程的控制方案，并且還要實現模型從自然語言到數學語言的轉換。但是，在這里有一點需要注意，就是在表達水文過程的數學方程時，首先就要知道其相關的假設與前提，然后再確定這個模型的適用范圍[2]。在明確對水文過程的方案以后，就要把數學語言轉換為計算機語言，也就是進行計算機程序編寫和模型開發。

（二）分布式水文模型的建立方式

分布式水文模型一般采用2類建立的方法：

（1）運用數據分析幫助建立相鄰網格模塊單元間的時空關系，就好比SHE類型的模型等。不過其中的結構往往相對復雜，有著很繁瑣的計算量。

（2）第二種方法是在每個網格模塊（或者是中小河流的子流域）中運用以往的概念性的模型來推求凈雨，然后再把它們都匯流在一起進行演算，最后求得出口斷面流量，如SWAT、TOPMODEL模型，也被稱做半分布式水文模型，它們沒有繁瑣的計算數量，其結構也相對簡單。

（三）分布式水文模型的模塊開發

中小河流區域分布差異變化巨大，而水文實測數據需年限累積，這就對分布式模型在中小河流的通用性上提出了較高的要求。如何有效處理分布式模型以適應大多數的中小河流是重點問題；其次，針對中小河流流域的分布式水文模型，其海量的模型輸入數據也很難管理，其獲取、輸入、處理問題也是我們無法忽略的。分布式水文模型的拓展性、應用性，直接影響到該模型能否有效展開、開發成功，也直接影響到該模型的實用價值[3]。因此，只有結合先進的計算機技術，將模型分為多個不同的水文模擬過程模塊進行系統開發，達到靈活組合、優化配置的目的，才能適應不同中小河流的模型運用。

四、云南省分布式水文模型的應用現狀

受經濟、技術手段落后、整體預報水平不高等多方面的影響，基于分布式水文模型的中小河流洪水預報方法在云南尚處于起步應用階段。目前使用較多的主要是基于數學統計的BP神經網絡模型、基于空間分布網格化的VIC分布式產流模型和基于DEM網格水文單元的UH_B地貌單位線匯流模型。在預報手段上，逐步采用規范的數據通信方式和水情信息交換系統，嘗試與氣象預報、雷達技術、網絡和衛星數據傳輸、GIS、數字模型等高新技術相結合；在預報成果上，由單場次洪水作業預報向實時滾動預報發展；在預報模型和方法上，以傳統預報方法為基礎，嘗試應用分布式水文模型預報；在洪水預報系統建設上，依托《中國洪水預報系統》，構建開發適合云南的相應組件或模塊，以期不斷提升中小河流洪水預報能力。

五、結語

云南地處云貴高原，山地占全省總面積的94%，眾多的溪溝、河流分布于期間。由于山區坡度和河道比降均較大，山洪災害頻發，嚴重制約了社會經濟的發展。自2011年全國中小河流水文監測系統建設項目實施以來，目前已完成了全省210條重點中小河流217個預報預警斷面的方案編制工作，但受模型方法、資料欠缺、工程調蓄等問題影響，預報精度無法滿足實際需求。隨著水文信息化、自動化的程度越來越高，基于分布式水文模型的中小河流洪水預報技術也將不斷發展完善，中小河流的洪水預報工作將會變的更容易、快捷、實用。

參考文獻：

[1]楊邦，只德國，楊學軍，溫立成. 海河流域中小河流洪水預報系統設計與實現[J].中國西部科技，2012，[8]：10-12.

[2]亞力昆·馬合木提. 探析中小河流洪水預報的難點與解決方案[J]. 黑龍江水利科技，2014，[3]：70-71.

[3]劉志雨，楊大文，胡健偉. 基于動態臨界雨量的中小河流山洪預警方法及其應用[A]. 中國水利學會.中國水利學會2010學術年會論文集（上冊）[C].中國水利學會：，2010：8.

[4]水利部水文局水文信息中心. 中小河流山洪監測與預警預測技術研究[M]. 北京：科學出版社，2010.