基于參數(shù)移植法的無(wú)資料地區(qū)洪水預(yù)報(bào)分析

趙 芳，華 東，田質(zhì)勝，唐克銀，張 晨

（1.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，濟(jì)南 250014；2.水利部信息中心，北京 100032；3.國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目辦公室，北京 100032）

無(wú)資料地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)，對(duì)于區(qū)域防洪和水利工作的開(kāi)展具有重大意義。目前針對(duì)無(wú)資料地區(qū)，常用洪水預(yù)報(bào)方法主要有：①參數(shù)移植法，采取臨近有資料流域的參數(shù)移植到無(wú)資料地區(qū)；②模型法，建立具有物理機(jī)制的水文預(yù)報(bào)模型推廣至無(wú)資料地區(qū)；③3S技術(shù)，獲取無(wú)資料地區(qū)空間地理信息，進(jìn)行三維建模預(yù)測(cè)。這3種方法均有各自優(yōu)勢(shì)，張漫莉［1］采取模型法構(gòu)建了武江流域新安江洪水預(yù)報(bào)模型，并成功應(yīng)用到無(wú)資料子流域，預(yù)報(bào)精度達(dá)乙級(jí)以上；宋昭義［2］采取參數(shù)移植法，利用冷水河臨近流域的水文資料構(gòu)建了新安江模型，最終成功運(yùn)用在冷水河流域，預(yù)報(bào)精度為丙級(jí)；馮嬌嬌［3］基于DEM數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，利用GIS提取流域特征建立遼寧東部短缺資料地區(qū)的新安江模型。

盡管模型法和3S技術(shù)比參數(shù)移植法精度和準(zhǔn)確性更高，但建立具有物理機(jī)制的水文預(yù)報(bào)模型往往需要長(zhǎng)久測(cè)算，而3S技術(shù)成本較高且技術(shù)性強(qiáng)，因此，目前較多用的仍是參數(shù)移植法。基于此，本文以渾河上游清原下水庫(kù)流域?yàn)檠芯繀^(qū)，探究了參數(shù)移植法的可行性和有效性。

1 研究思路

本文以缺少資料的渾河上游清原下水庫(kù)流域?yàn)檠芯繀^(qū)，探索參數(shù)移植法在無(wú)資料地區(qū)的適用性和可行性。根據(jù)流域下墊面屬性存在的差異，降雨產(chǎn)流3個(gè)隨機(jī)性，流域形狀和雨量站點(diǎn)分布狀況，以及現(xiàn)有預(yù)報(bào)模型的使用效果與經(jīng)驗(yàn)確定洪水預(yù)報(bào)方案，即在清原下水庫(kù)流域的臨近子流域中運(yùn)用新安江模型進(jìn)行建模，以SCE-UA算法對(duì)新安江模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化率定，最終結(jié)合空間臨近法和流域物理特性相似法將率定后的參數(shù)移植到清原下水庫(kù)所在子流域上，分別計(jì)算產(chǎn)流和匯流，最后得到出流過(guò)程。

1.1 研究區(qū)概況

清原下水庫(kù)位于遼寧省渾河上游右岸支流樹(shù)基溝河內(nèi)，壩址流域面積65.3km2。水庫(kù)壩址附近無(wú)氣象觀測(cè)站，東側(cè)20km處有清原氣象站，1957年設(shè)站觀測(cè)至今，資料系列較長(zhǎng)，根清原氣象站1981～2013年降水觀測(cè)資料分析，多年平均降水量792.9mm。水庫(kù)壩址附近有樹(shù)基溝雨量站，1964～2012年多年平均降水量862.6mm。

清源下水庫(kù)流域無(wú)水文站和雨量站，臨近流域有南口前水文站，南口前水文站位于渾河干流左側(cè)的南口前支流，為徑流實(shí)驗(yàn)站，南口前站流域面積186km2，與清源下水庫(kù)所在樹(shù)基溝河流域面積163.62km2最接近，為本階段徑流、洪水計(jì)算的主要依據(jù)站。流域內(nèi)水系如圖1。

圖1 研究區(qū)流域水系

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

通過(guò)當(dāng)?shù)厮木质占艘韵沦Y料：

（1）南口前流域內(nèi)3處雨量站1968～1988年降水量摘錄資料和日降水量資料。

（2）流域內(nèi)南口前水文站1968～1988年的洪水摘錄資料和日均流量資料。

（3）本次未收集到南口前流域內(nèi)蒸發(fā)資料。

（4）南口前流域內(nèi)歷次暴雨洪水調(diào)查資料若干。

（5）對(duì)南口前流域各個(gè)單元的流域特征值包括河長(zhǎng)、河流縱比降、流域面積等在大比尺地形圖上進(jìn)行了重新量算。

（6）用泰森多邊形法對(duì)南口前流域內(nèi)各雨量站面積權(quán)重進(jìn)行了量算。

1.2.2 子流域劃分

根據(jù)南口前站地理位置，以南口前站作為南口前流域的預(yù)報(bào)斷面，清原抽水蓄能電站下水庫(kù)入庫(kù)斷面為研究子流域的預(yù)報(bào)斷面。在ARCGIS中的水文分析工具對(duì)流域DEM底圖進(jìn)行處理。通過(guò)填洼——流向分析——匯流——河網(wǎng)提取——河網(wǎng)連接——河網(wǎng)分級(jí)——捕捉傾瀉點(diǎn)——?jiǎng)澐肿恿饔蛄鞒痰玫侥峡谇傲饔蛭募脱芯孔恿饔蛭募?/p>

南口前流域劃分、研究子流域劃分和兩個(gè)子流域的位置關(guān)系如圖2。

圖2 研究區(qū)流域與南口前流域位置

1.2.3 基于GIS處理的泰森多邊形

鑒于南口前流域中有阿爾當(dāng)站、海陽(yáng)站和暖泉南溝站3 個(gè)雨量站，故創(chuàng)建雨量站SHP 圖層，在ARCGIS中通過(guò)分析工具——領(lǐng)域分析——?jiǎng)?chuàng)建泰森多邊形流程打開(kāi)創(chuàng)建泰森多邊形工具，設(shè)置參數(shù)，輸入要素選擇構(gòu)造的雨量站，并設(shè)置環(huán)境后泰森多邊形圖層，如圖3。

圖3 裁剪后泰森多邊形圖層

2 參數(shù)率定與結(jié)果分析

2.1 參數(shù)率定

本次模型率定，充分利用流域內(nèi)暴雨洪水調(diào)查資料和南口前站實(shí)測(cè)洪水資料，為各單元的參數(shù)率定提供了保證，使率定的參數(shù)更加合理。率定時(shí)，首先選用近期雨量和流量資料控制較好、觀測(cè)精度較高洪水進(jìn)行參數(shù)率定，為早期洪水參數(shù)率定積累經(jīng)驗(yàn)、奠定基礎(chǔ)。最終本次選用11場(chǎng)洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)模型參數(shù)率定，用SCE-UA算法進(jìn)行新安江模型參數(shù)優(yōu)化率定，率定結(jié)果如表1。

表1 南口前流域新安江模型率定結(jié)果

從表1看出率定期，1#，5#洪水的洪峰預(yù)報(bào)值偏差較大，均達(dá)到35%以上，2#洪水的峰現(xiàn)時(shí)間異常，誤差高達(dá)50h。驗(yàn)證期內(nèi)1#洪水的洪峰擬合效果相對(duì)較好，整體的峰現(xiàn)時(shí)間都擬合的較為準(zhǔn)確。模型最終確定模型系數(shù)如表2。

表2 新安江模型洪水參數(shù)

2.2 成果分析

選用研究區(qū)4場(chǎng)實(shí)測(cè)洪水來(lái)驗(yàn)證利用參數(shù)移植法建立的新安江模型，驗(yàn)證結(jié)果如表3，洪水過(guò)程線如圖4。

表3 洪水預(yù)報(bào)驗(yàn)證結(jié)果

圖4 驗(yàn)證期洪水過(guò)程線

從表3可看出，驗(yàn)證期所選場(chǎng)次洪水，洪峰流量合格率75%，峰現(xiàn)時(shí)間合格率100%，確定性系數(shù)為乙等，驗(yàn)證期洪水場(chǎng)次的模擬效果相對(duì)較好，從圖4可看出，模型對(duì)于單峰型洪水?dāng)M合效果相對(duì)較好。

盡管本次預(yù)報(bào)方案已有初步成果，但限于資料條件，還不能完全滿足規(guī)范要求，方案存在如下問(wèn)題：①根據(jù)規(guī)范規(guī)定，一個(gè)方案編制分析的洪水場(chǎng)次不低于20次，由于資料有限，新安江模型參數(shù)率定，勉強(qiáng)選用了11場(chǎng)洪水，不滿足規(guī)范要求。②方案編制過(guò)程中，由于雨洪配套資料太少（有些年份雨量站和水文站數(shù)據(jù)不完整，有缺失），給資料分析帶來(lái)了很大困難，直接影響了參數(shù)率定。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）利用參數(shù)移植法，構(gòu)建了渾河上游南口前流域新安江模型，并將模型參數(shù)移植到清原下水庫(kù)流域，最終結(jié)果驗(yàn)證該方法可行，由于資料有限，本次預(yù)報(bào)精度不高，還需后續(xù)收集更多的暴雨洪水資料，進(jìn)一步改進(jìn)模型參數(shù)。

（2）無(wú)資料地區(qū)洪水預(yù)報(bào)是水文預(yù)報(bào)工作中的難點(diǎn)，后續(xù)還需投入更多精力，結(jié)合新方法去深入探究。