漓江流域上游洪水預報方案研究與應用

陳立華，馮世偉，鄧芳芳

(1.廣西大學土木建筑工程學院， 廣西南寧530004;2.廣西防災減災與工程安全重點實驗室， 廣西南寧530004;3.廣西南寧水利電力設計院， 廣西南寧530004; 4.廣西南寧禹道水利科技有限公司)

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漓江流域上游洪水預報方案研究與應用

陳立華1,2，馮世偉3，鄧芳芳1,4

(1.廣西大學土木建筑工程學院， 廣西南寧530004;2.廣西防災減災與工程安全重點實驗室， 廣西南寧530004;3.廣西南寧水利電力設計院， 廣西南寧530004; 4.廣西南寧禹道水利科技有限公司)

漓江流域上游是廣西山洪災害多發區中較嚴重的流域之一，為了對漓江流域上游防洪減災提供技術上的支持，根據漓江流域上游的水文資料、地形地貌及氣候特征，構建漓江流域上游三水源新安江模型洪水預報方案。選取2008～2013年的27場洪水作為率定期洪水，2014～2015年8場洪水作為驗證期洪水進行降雨徑流模擬。模擬計算結果表明：率定期模擬合格率為85.2%，平均確定性系數為0.850；驗證期合格率為87.5%，達到甲級精度，平均確定性系數為0.87，達到乙級精度。模擬結果的分析表明，三水源新安江模型適用于漓江流域上游且取得較好的模擬結果，可為漓江流域上游洪水作業預報提供參考。

洪水預報；漓江流域上游；新安江模型

漓江流域上游因復雜的地質與水文條件導致山洪災害頻發，是廣西山洪災害多發區中較嚴重的流域之一。新安江模型是趙人俊等[1]在1973年對新安江水庫做入庫流量預報工作中提出的研究成果，模型自提出以來得到廣泛應用，特別是在南方濕潤、半濕潤地區，研究工作取得了豐碩的成果[2-7]。本研究以漓江流域上游為研究對象,基于新安江模型構建漓江流域上游的科學合理的洪水預報方案，為該流域防洪減災提供理論與方法支持。

1　流域概況

漓江流域上游位于桂林水文站以上，集水面積2 785 km2，平均海拔150 m，河段干流長105 km，其中，流經市區河段長4.93 km。流域整個地勢由西北向東南傾斜，呈北高南低，特殊的地勢使得流域內降水比較豐沛，該流域上游是廣西三大暴雨中心之一。研究區屬亞熱帶季風氣候，多年平均降雨量1 889.4 mm，汛期在3～8月，汛期降雨量占年降水量的75%左右，汛期內流域降水較多，從而導致流域內水災頻繁。

2　模型原理與結構

新安江模型的建模思路：當流域面積較小時，新安江模型采用集總模型；當流域面積較大時，采用分塊模型[8]。將流域分成若干自然子流域作為計算單元，計算每一個子流域的產流量，以及子流域內的坡面匯流，然后將各子流域的出流在對應河道上進行河道洪水演算，直至流域出口斷面，進而求得流域的出口流量過程。模型計算包括蒸散發計算、蓄滿產流計算、流域水源劃分和匯流計算四部分。

圖1　蓄水容量曲線Fig.1　Storagecapacity curve

①蒸散發計算。采用三層蒸散發計算模型，其計算思路：流域蒸散發先從上層蒸發開始，當上層含水量不夠蒸發時則由下層蒸發，當下層水量不夠蒸發時則用深層水補給[9]。

②產流計算。按照蓄滿產流模式計算降雨產生的總徑流量，采用流域蓄水容量曲線，并考慮下墊面不均勻對產流面積變化的影響。由于土壤濕度在面上分布不均勻，因此產流面積是變化的。為此在新安江模型中引進了張力水蓄水容量曲線[10]，把流域內各點的蓄水容量概化成一條拋物曲線，如圖1所示。

產流計算公式為：

(1)

③流域水源劃分。采用一個自由水蓄水庫進行水源劃分的方式，按蓄滿產流模型計算出的產流量R進入自由水蓄水庫后，分成地面徑流(RS)、壤中流(RSS)和地下徑流(RG)。其中，壤中流(RSS)和地下徑流(RG)再經過地下水庫調蓄可分別得到壤中流對河網的總入流(TRSS)和地下徑流對河網的總入流(TRG)[11]。采用新安江模型核心曲線之一的流域自由水蓄水容量曲線來描述流域內自由水蓄水容量在產流面積上分布不均勻的現象[12]。

④匯流計算。分為3個階段進行，即坡地匯流階段、河網匯流階段和河道匯流階段。

地面徑流RS直接進入河網，其計算公式為：

TRS(t)=RS(t)·U。

(2)

壤中流RSS與地下徑流RG均用線性水庫模擬，壤中流消退系數為KKSS，地下徑流退系數為KKG。壤中流RSS與地下徑流RG計算公式為 ：

TRSS(t)=TRSS(t-1)·KKSS+RSS(t)·(1-KKSS)·U，

(3)

TRG(t)=TRG(t-1)·KKG+RG(t)·(1-KKG)·U，

(4)

TR(t)=TRS(t)+TRSS(t)+TRG(t)，

(5)

式中，U為單位轉換系數，U=A/(3.6Δt)；A為流域面積(km2)；Δt為計算時段(h)。

單元面積的河網匯流是指水流由坡面進入河槽后繼續沿河網的匯集過程，采用無因次時段單位線模擬水體從進入河槽到單元出口的河網匯流[13]，其計算公式為：

(6)

式中，Q(t)為單元出口處t時刻的流量值，UH為無因次時段單位線；N為單位線的歷時時段數。

河道匯流采用馬斯京根法[14-15]。

3　模型構建

3.1子流域劃分及預報框架圖

不同的分辨率對于流域的匯流時間是不同[16]，根據漓江流域上游的具體情況，基于DEM(90 m×90 m)，應用GIS將該區域劃分為12個子流域，其分布與編號如圖2所示。

圖2　漓江流域上游子流域及上游泰森多邊形劃分圖

12個子流域中需進行產匯流計算的有10個，根據子流域劃分情況編制漓江流域上游的新安江模型預報方案，如圖3所示。其中，4號子流域出口處為大型水庫——青獅潭水庫，直接采用青獅潭水庫實測出庫流量資料作為研究區輸入信息；9號子流域主河道為靈渠——溝通了漓江與湘江的人工渠道，采用流域出口處靈渠水文站實測徑流資料作為研究區輸入信息。

圖3　新安江模型預報方案框圖

3.2水文數據

本研究收集與整編了桂林、廟頭、青獅潭、川江、華江、硯田、高寨、鯉魚塘、清水江、嚴關、司門、三街等12個雨量站2008～2015年8年的降雨數據，靈渠、桂林兩個水文站2008～2015年8年的流量數據，青獅潭水庫站2008～2015年8年的出庫流量數據以及桂林氣象站2008～2015年8年的蒸發數據。根據雨量站網劃分的泰森多邊形結果如圖2所示。

根據泰森多邊形劃分結果，采用雨量權重法計算流域平均面量，其計算公式為：

(7)

3.3子流域單位線推求

圖4　潮田站控制流域單位線Fig.4　unit hydrograph of ChaoTian watershed

由于缺少各個子流域出口處的實測流量資料，因此無法利用降雨徑流資料推求各小流域的單位線，本研究嘗試了兩種單位線的推求方法。第一種方法采用《廣西壯族自治區暴雨徑流查算圖表》的有關方法、公式和參數。根據《廣西壯族自治區暴雨徑流查算圖表》匯流分區圖，并根據《廣西壯族自治區暴雨徑流查算圖表》中列舉的經驗公式進行參數計算。但在應用中發現計算合格率僅為18.5%，誤差較大。第二種方法選取了臨近漓江流域上游的1個小流域，該流域由潮田水文站控制流域面積326.11 km2。根據流域內2015年的實測降雨和流量資料推求該流域的瞬時單位線，如圖4所示，并根據漓江流域上游各子流域實際情況對單位線進行修正，經過模擬計算應用效果較好。因此，本次研究采用第二種方法推求各子流域單位線。

4　應用實例

4.1模型精度評定指標

根據《水文情報預報規范》[17]的相關規定，以洪量誤差(REv)、洪峰流量誤差(REp)、峰現時間誤差(ΔT)作為率定參數的評定指標，對模型的模擬精度進行綜合評價，規范規定徑流總深誤差的許可誤差不超過實測徑流總深的20%，洪峰流量誤差的許可誤差不超過實測洪峰流量的20%，峰現時間誤差在±3 h。通過預報場次的合格率(QR)和確定性系數(DC)綜合確定預報項目精度等級。

4.2模型參數

本研究根據2008～2013年率定期27場洪水，采用人工率定的方法進行參數率定，得出適用于漓江流域上游新安江模型及馬斯京根法參數見表1、表2。

表1　新安江參數表Tab.1　Paratemters of Xin’an jiang model

表2　馬斯京根法參數表Tab.2　Paratemters of Muskingum

4.3模擬結果

根據《水文情報預報規范》模型精度評定指標的綜合評價結果。模擬計算結果如表3所示，部分模擬徑流過程線如圖5～圖8所示。

表3　新安江模型模擬結果Tab.3　The simulation results of xin’an jiang model

續表3

時期序號降雨場次模擬徑流總深/mm實測徑流總深/mm徑流總深誤差/%實測洪峰/(m3·s-1)預報洪峰/(m3·s-1)洪峰流量誤差/%峰現誤差1/h確定性系數DC是否合格驗證期12014040573.9383.64-11.606396847.0300.861是220140701179.12203.27-11.88287029141.5500.917是320140615116.64139.02-16.101180996-15.5720.766是420140508126.57171.05-26.0021801831-16.0250.754否52015050822.6426.88-15.76599598-0.1700.836是62015051146.0446.46-0.92113011774.1330.941是72015051597.2695.981.331740193811.3610.935是820150608224.54212.715.56222023445.6120.952是

注：表中峰現誤差負值表示模擬峰現時間相對實測峰現時間提前，正值表示模擬峰現時間相對實測峰現時間滯后。

圖520100612場次洪水降雨—徑流模擬結果

Fig.5Rainfall-runoff simulation results in flood NO.20100612

圖620120502場次洪水降雨—徑流模擬結果

Fig.6Rainfall-runoff simulation results in flood NO.20120502

圖720140701場次洪水降雨—徑流模擬結果

Fig.7Rainfall-runoff simulation results in flood NO.20140701

圖820150608場次洪水降雨—徑流模擬結果

Fig.8Rainfall-runoff simulation results in flood NO.20150608

由表3可看出，率定期27場洪水合格率為85.2%，達到甲級精度；平均確定性系數為0.850，達到乙級精度。驗證期8場洪水合格率為87.5%，達到甲級精度，平均確定性系數為0.87，達到乙級精度。

5　結　語

本研究結合DEM與ARCGIS地理信息系統軟件進行子流域劃分、子流域面積計算、泰森多邊形劃分以及雨量權重的計算等，構建了新安江模型洪水預報方案。通過2008～2013年率定期27場洪水及2014～2015年驗證期8場洪水進行降雨徑流模擬，率定期合格率達到了甲級精度，平均確定性系數達到了乙級精度；驗證期合格率達到甲級精度，平均確定性系數達到乙級精度。通過模擬結果分析表明，三水源新安江模型適用于漓江流域上游且取得較好的模擬結果，可為漓江流域上游洪水作業預報提供參考。

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(責任編輯唐漢民裴潤梅)

Study and application of flood forecasting inupstream basin of Lijiang

CHEN Li-hua1,2, FENG Shi-wei3, DENG Fang-fang1,2

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China;2.Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety, Nanning 530004,China;3.Nanning Water Conservancy and Electric Power Design Institute, Nanning 530004,China;4. Guangxi Nanning Yudao Water Conservancy Technology Company Limited, Nanning 530004, Cina)

In order to provide technical support for flood control and disaster alleviationin upstream basin of Lijiang,according to the topography and climate characteristics of upstream basin of Lijiang river,floods were simulated by the hydrology modeling system with Xin’anjiang model, and flood forecasting scheme based onthree water source Xin’anjiang model in upstream basin of Lijiang was constructed. 27 floods from 2008 to 2013 were selected as regular analog floods and 8 floods from 2014 to 2015 were selected as verifiedfloods for rainfall runoff simulation. Simulation results showed thatthe qualified rate of regular analog was 85.2%, and the average coefficient of determination was 0.850; that the qualified rate of verification was 87.5%,which reached A-grade precision, and the average deterministic coefficient of 0.87 reached B-grade accuracy.The simulation results show that three water source Xin’anjiang model is suitable for upstream basinof Lijiang and has given reasonable results, and the research results can provide reference for flood forecasting in upstream basin of Lijiang.

flood forecasting; upstream basin of Lijiang; Xin’an jiang model

2016-01-10；

2016-05-15

國家自然科學基金資助項目(51469002，51009029)；廣西自然科學基金(2015GXNSFBA139218)；廣西科學研究與技術開發計劃(桂科攻1298005-6)；廣西重點實驗室系統性研究項目(2014ZDX012)

陳立華(1980—)，男，福建三明人，廣西大學教授，博士；E-mail：zgfjclh@163.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1298

TV124

A

1001-7445(2016)04-1298-08

引文格式：陳立華，馮世偉，鄧芳芳.漓江流域上游洪水預報方案研究與應用[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1298-1305.