非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ驮谶|寧地區(qū)山洪預(yù)警動(dòng)態(tài)指標(biāo)確定中的應(yīng)用研究

方 旭

(沈陽(yáng)中天水利工程有限公司，遼寧 新民 110300)

山洪災(zāi)害由于突發(fā)性強(qiáng)、預(yù)測(cè)預(yù)警難，已成為當(dāng)前區(qū)域防汛減災(zāi)的難點(diǎn)和重點(diǎn)[1]。遼寧地區(qū)東部和西部均屬于山丘區(qū)，區(qū)域山洪災(zāi)害發(fā)生較為頻繁，為保障山洪影響的區(qū)域人民生命財(cái)產(chǎn)安全，需要對(duì)山洪易發(fā)區(qū)域進(jìn)行有效預(yù)警，從而防范山洪造成的災(zāi)害損失[2]。為提高遼寧地區(qū)山洪預(yù)警的綜合性，文章結(jié)合非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ停赃|寧東部某山洪小流域?yàn)閷?shí)例，對(duì)區(qū)域山洪預(yù)警的臨界雨量進(jìn)行多因素的動(dòng)態(tài)分析[3-4]，分析成果可為遼寧乃至北方地區(qū)的山洪預(yù)警技術(shù)提供參考。

1 山洪預(yù)警動(dòng)態(tài)臨界雨量的確定方法

1.1 動(dòng)態(tài)臨界雨量的計(jì)算方法

(1) 結(jié)合水文模型對(duì)任意時(shí)段T內(nèi)降雨產(chǎn)生的洪水過(guò)程進(jìn)行推求；

(2) 若推求的洪峰流量大于流量預(yù)警值，則表明山洪暴雨洪水已產(chǎn)生，返回到步驟(1)重新進(jìn)行時(shí)段降雨選擇并推算洪峰流量，若推求的洪峰流量小于預(yù)警流量值，則進(jìn)行步驟(3)的計(jì)算；

(3) 將T+1時(shí)段降雨進(jìn)行排序，采用水文模型對(duì)T+1時(shí)段降雨產(chǎn)生的洪水進(jìn)行推求；

(4)若計(jì)算的洪峰流量大于流量預(yù)警值，則將該時(shí)段的降水量作為第T時(shí)段降雨產(chǎn)生后所對(duì)應(yīng)的雨量臨界值P臨，點(diǎn)繪不同計(jì)算時(shí)段的(Pa+P+PⅡ，P臨)散點(diǎn)圖；若計(jì)算的洪峰流量小于流量預(yù)警值，則重新進(jìn)行步驟(3)的計(jì)算；

(5) 按照步驟(1)～(4)進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，得到不同降雨分布下的(Pa+P+PⅡ，P臨)的多個(gè)散點(diǎn)圖，對(duì)各時(shí)段下的P臨-Pa+P+PⅡ關(guān)系進(jìn)行曲線擬合。

1.2 非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ驮?/h3>

文章采用非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ妥鳛閯?dòng)態(tài)臨界雨量確定的水文模型，對(duì)時(shí)段降雨內(nèi)的洪水過(guò)程進(jìn)行推求[5-7]，該模型基于降雨徑流的非線性變化，水量計(jì)算方程為

Y(d，n)=X(d，n)-L(d，n)

(1)

L(d，n)=E(d，n)±ΔS(d，n)

(2)

式中，X(d，n)—日降水量，mm；E(d，n)—日蒸發(fā)量，mm；n—計(jì)算時(shí)間尺度；ΔS(d，n)—流域蓄水增量，mm；Y(d，n)—增益變量；L(d，n)—產(chǎn)流損失變量。非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ陀?jì)算產(chǎn)流系數(shù)G

(3)

在方程(3)的基礎(chǔ)上，對(duì)其產(chǎn)流量進(jìn)行計(jì)算

R(t)=G(t)X(t)

(4)

在方程(4)中，G(t)為產(chǎn)流系數(shù)，其計(jì)算方程為

G(t)=g1APIg2(t)

(5)

在方程(5)中，g1和g2為產(chǎn)流增益參數(shù)；模型的前期影響雨量計(jì)算方程為

(6)

在方程(6)中，U0(σ)為響應(yīng)卷積函數(shù)，非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ偷膮R流計(jì)算方程為

(7)

方程(7)為模型的響應(yīng)系統(tǒng)函數(shù)。

2 模型應(yīng)用

2.1 區(qū)域概況

文章以遼東某山洪小流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，流域平均坡度為5.72‰，流域集水面積為190km2，區(qū)域?qū)儆诖箨懠撅L(fēng)氣候，位于中溫帶，夏季暴雨較為集中，流域降水量多年平均值為830mm，最大1h降水量可達(dá)到85mm，流域內(nèi)暴雨洪水具有明顯的源短流急特點(diǎn)，洪水上漲歷時(shí)最快為10min，一次洪水過(guò)程歷時(shí)為5～20min。流域蓄水量最大值為110mm。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

結(jié)合參考文獻(xiàn)[12]，對(duì)研究區(qū)域的非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ偷膮?shù)初值進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ蛥?shù)設(shè)置結(jié)果

2.3 小流域產(chǎn)匯流模型結(jié)果分析

根據(jù)流域的18場(chǎng)洪水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ蛯?duì)流域的產(chǎn)流以及不同時(shí)段(1h、3h)匯流進(jìn)行模擬，并結(jié)合水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范，對(duì)模型產(chǎn)流和匯流的場(chǎng)次洪水合格率進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表2—4。

表2 研究區(qū)域產(chǎn)流模擬結(jié)果

表3 研究區(qū)域1h的匯流模擬結(jié)果

表4 研究區(qū)域3h的匯流模擬結(jié)果

由非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ驮趨^(qū)域產(chǎn)流模擬的合格率可看出，18場(chǎng)洪水產(chǎn)流誤差合格率可達(dá)92.5%，這主要是因?yàn)榉蔷€性時(shí)變產(chǎn)流模型可綜合考慮前期影響雨量以及降雨徑流的非線性變化特征[8-11]，適合小流域源短流急的產(chǎn)流特點(diǎn)，因此具有較好的產(chǎn)流計(jì)算精度。由兩個(gè)時(shí)段匯流模擬結(jié)果可看出，在各場(chǎng)次洪水中，1h和3h的匯流模擬的合格率按照水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范要求，均可達(dá)到乙級(jí)預(yù)報(bào)精度，模擬精度較高，這主要是因?yàn)榉蔷€性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ筒捎脜R流響應(yīng)函數(shù)，建立流域匯流響應(yīng)特征方程，適合小流域匯流特點(diǎn)，在小流域暴雨洪水匯流計(jì)算中具有較高的計(jì)算精度。

3 預(yù)警指標(biāo)檢驗(yàn)

在非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ陀?jì)算的基礎(chǔ)上，確定區(qū)域降水徑流關(guān)系，結(jié)合降水徑流關(guān)系建立不同時(shí)段(1h和3h)動(dòng)態(tài)臨界雨量與各影響因素之間的聯(lián)系，得到區(qū)域山洪預(yù)警的動(dòng)態(tài)臨界曲線，將分析的動(dòng)態(tài)臨界曲線用于各場(chǎng)次洪水?dāng)?shù)據(jù)預(yù)警效果的檢驗(yàn)，各時(shí)段臨界雨量的檢驗(yàn)效果見(jiàn)表5—6。將從降雨起始洪水起漲階段到流量預(yù)警值之間的一個(gè)降雨時(shí)段作為預(yù)警期，從而分析預(yù)警指標(biāo)確定的客觀性和適用性。將降雨量和預(yù)警雨量值進(jìn)行對(duì)比，判定是否需要進(jìn)行山洪預(yù)警，結(jié)合實(shí)測(cè)流量是否達(dá)到流量預(yù)警值來(lái)檢驗(yàn)預(yù)警的正確度。

表5 1h臨界雨量指標(biāo)檢驗(yàn)

從不同時(shí)段臨界雨量的檢驗(yàn)結(jié)果可分析出基于非線性時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ偷纳胶轭A(yù)警準(zhǔn)確率較高，且明顯好于基于傳統(tǒng)土壤含水量進(jìn)行山洪預(yù)警的準(zhǔn)確度，表明雨量臨界預(yù)警值由雨量累積值、前期影響雨量、降雨空間分布以及雨強(qiáng)等多個(gè)因素綜合確定的。而基于土壤含水量的預(yù)警方法是當(dāng)土壤水蓄滿后，對(duì)應(yīng)的雨量值作為預(yù)警臨界值，而且設(shè)置為固定指標(biāo)，這種方式的局限性在于未能考慮雨量累積對(duì)雨量臨界預(yù)警的影響。

4 結(jié)論

(1)非線性時(shí)變模型適合于小流域降雨徑流非線性變化特點(diǎn)，產(chǎn)匯流模擬精度較好，可用于山洪小流域雨量動(dòng)態(tài)臨界值的確定，在具體分析時(shí)，應(yīng)將時(shí)段雨量與雨量預(yù)警臨界值進(jìn)行對(duì)比，綜合判斷是否需要進(jìn)行預(yù)警，結(jié)合實(shí)測(cè)流量和流量預(yù)警值綜合檢驗(yàn)預(yù)警的準(zhǔn)確率。

表6 3h臨界雨量指標(biāo)檢驗(yàn)

(2)對(duì)于山洪小流域降水時(shí)段的強(qiáng)降水，預(yù)警時(shí)段越短，預(yù)警準(zhǔn)確率越高，在實(shí)際預(yù)警方案編制中，為降低預(yù)警誤報(bào)率，提高預(yù)警準(zhǔn)確度，應(yīng)綜合分析不同時(shí)段雨量臨界值進(jìn)行多因素綜合預(yù)警。