降雨徑流經驗相關法在常德中小河流預報中的應用

2021-04-12 03:43:16張婉柔吳震中

湖南水利水電 2021年1期

張婉柔，吳震中

（常德水文水資源勘測中心，湖南常德 415000）

湖南歷有“三湘四水”的別稱，其中常德市又有沅水、澧水流經，區內河網密布，囊括了眾多中小河流，使得常德洪水預報方案的匯編頗有難度。

1 中小河流預報進展

目前，我國的中小河流預報預警研究技術尚未成熟，山洪方面的監測系統也還處于試點研究時期[1]。

1.1 國內技術預報的進展

國內中小流域洪水預報預警方法中，影響較大的主要有參照分布式水文模型山洪預報預警、水文比擬法[2]，及與氣象聯合的集合數值預報方法[3]等，此外，還有一些常規的模型也被使用。

HEC-HMS 降雨-徑流模型，即半分布式水文模型，該模型在國內被廣泛運用。鄒楊等將該模型運用到沅江武水流域[4]，通過拆分流域子單元，模擬產匯流過程，率定模型的水文參數，以進行流域出口斷面的洪峰流量及峰現時間等參數的預報，該流域模擬效果較好。雍斌等將該模型也運用到了漢江的褒河流域，最終發現GIS 技術可結合一些土壤下墊面基礎資料來推求反映該特征的水文參數，以此與HEC-HMS 降雨-徑流模型很好的耦合[5]。

還有一種較為傳統的API 模型預報方案[6]。該方案主要是通過選擇洪水場次，根據相關資料分析出流域降雨徑流的相關參數，以此繪制出P～Pa～R 相關圖，然后由凈雨量及推求出的每場洪水的單位線，進行最終的洪水預報。該方案需要包含水位流量雨量蒸發在內的比較全面的歷史資料，同時，對推求出的匯流單位線精度也有一定的要求。

王連華等在英那河流域史家堡水文站所做的降雨徑流洪水預報方案[7]也是以API 模型為基礎，通過降雨量及Pa，以理念洪水場次作為樣本，推求出P+Pa～R 相關圖，由P+Pa 即可查出預報R 值。

1.2 國外技術預報的進展

1）“HEC-DHM 系統”。這是一種基于分布式水文模型的山洪預報預警方案。該方案思路是先將整個流域拆分成眾多子流域，通過對子流域的分析，最終預報達到出口斷面的預警限值需要的流域總面平均雨量。這種預報方案也需要滿足以下幾個條件：一是有合適的雨量站網布設，二是設立了預警標準，三是降雨的精確性直接影響該模型預警的精度及預見期，需要與氣象部門配合、密切聯系。

2）“FFG 系統”[8～10]。這是基于動態臨界雨量的山洪指導系統[11]，方案主要是根據已經發生的降雨量及出口斷面的預警限值需要的流域面雨量，推求一個還需降落的降雨量，也即“FFG 值”。而該方法需要達到的條件有兩個，一是流域當前土壤含水量，二是流域出口斷面的參數。

2 本方案預報的思路

本方案基本參照蓄滿產流的模式進行凈雨的計算。其中，對前期土壤含水量已飽和的洪水場次，造峰雨量一般為降雨歷時內的累計降雨量；若未飽和，則選擇飽和后的累計降雨量作為造峰雨量。

預報的思路主要是通過研究中小河流站點歷年來洪峰水位排行前15 的洪水場次，繪制出P+Pa 與洪峰水位的相關圖及P+Pa 與水位變幅的相關圖，并在圖上擬定一條擬合度最高且符合實際的相關線，求得相關線的公式。在之后的降雨過程中，則可以由2 幅相關圖計算得到要達到預警限值還需要的流域面降雨量，以達到快速預警的目的。本方案的預報思路如圖1 所示。

圖1 方案預報思路暨技術方案圖

3 本方案基本情況介紹

本次臨時方案匯編共包含15 個方案，其中沅水4個（延溪深水港站、夷望溪松陽坪站、大楊溪楊溪橋站、蘭溪理公港站），澧水9 個（沙溪河臨安站、道水臨澧站、黃虎港安溪站、道水白洋湖站、仙陽河杜家崗站、竹溪河金盆站、石家河南坪河站、渫水雙合站及渫水雁池站），湖區2 個（涔水青巖站及滄水朱家鋪站）。

各方案通過分析繪制的P+Pa 與洪峰水位的相關圖擬合度及相關線公式如表1 所示。其中，臨安站、金盆站P+Pa 洪峰水位相關圖如圖2、圖3 所示。

表1 中小河流預報斷面P+Pa-洪峰水位公式表

其中，可以看出，除了青巖站及杜家崗站的擬合度偏低外，其他站點的相關線基本能很好地擬合P+Pa 與洪峰水位對應的相關點。而觀察青巖站及杜家崗站P+Pa 與洪峰水位相關圖，圖上幾乎存在兩條相關線，分析判斷可能為上下游小型水利工程泄水所致。臨安站、金盆站及南坪河站擬合度極高，所有點幾乎都在相關線上，可以很好地反應P+Pa 對應的洪峰水位關系，做到準確預報。

4 本方案的洪水實用性檢驗

本次擬采用2019 年的30 場洪水，用2 種方法對方案進行實用性檢驗，每站約檢驗2 場洪水。

方法一：根據降雨完成時產生的造峰雨量，作為場次內流域的面平均雨量，計算得P+Pa，參照繪制的P+Pa 與洪峰水位的相關圖及P+Pa 與水位變幅的相關圖，查線得預報洪峰水位的范圍值，之后跟實際產生的洪峰水位相對比，具體分析如表2 所示。

圖2 臨安站P+Pa-洪峰水位相關圖

圖3 金盆站P+Pa-洪峰水位相關圖

方法二：本方法采用了一種逆向反推的思路，類似于求出基于動態臨界雨量的山洪指導方法中的“FFG值”。主要是在一場強降雨來臨前，根據氣象的預報及計算時站點Pa 值，參照P+Pa 與洪峰水位的相關圖及P+Pa 與水位變幅的相關圖，以及定好的預警限值（如金盆站以169.70 m 為基準水位，當水位變幅達到2.5～3.0 m 時發布洪水藍色預警），推算出達到預警限值需要的降雨量。當實際降雨量達到或接近計算出的降雨量時，便可立即采取行動，延長預見期。具體分析如表3 所示。

檢驗結論：方法一根據P+Pa 預報洪峰水位的方法，預報值與實際值最大誤差為-0.37 m，基本能滿足預報要求；方法二根據Pa 與達預警限值P+Pa 推算出的降雨與實際降雨比較，預報值與實際值幾乎一致。且方法二更能直觀地判斷降雨是否達到水位預警限值，但由于各中小河流站點基本建站不久，未發生較大洪水過程，且今年實際降水偏少，缺乏代表性的洪水場次，還需要后續修訂及驗證。同時，由于沅江流域及澧水流域以蓄滿產流為主，但也存在超滲產流，因此仍需在實際運用本方案的過程中考慮雨強及降雨的區域性分布對結果精確性的影響。

根據以上結果并不能完全反映本次預報方案的合格性，還需再次對擬合度較高的具有代表性的測站選擇20 次洪水場次進行分析。本次擬選擇臨安站及金盆站。各站點P+Pa-洪峰水位回歸線圖見圖4、圖5，具體分析如表4、表5 所示。

臨安站為澧水二級支流沙溪河上的水文站點，站點以上集水面積228 km2，站點以上干流長度33.0 km，與河口距離12.0 km。站點采用85 國家基準高程系統，歷史最高水位48.29 m 出現在2017 年6 月24 日。表中參數的公式見《水文情報預報規范》[12]及《水文資料整編規范》[13]。面雨量計算中，臨安站流域內水文站點的選擇，自上游至下游有舒公殿氣象站（參考）、王家嘴雨量站（參考）、群英雨量站、敖山雨量站及臨安水文站，如圖6。

金盆站為渫水二級支流竹溪河上的水文站點，站點以上集水面積111 km2，站點以上干流長度21.4 km，與河口距離8.6 km。站點采用凍結高程系統，歷史最高水位172.00m 出現在2016 年7 月20 日。由于該流域面積較小，流域內水文站點僅有2 個，分別是上游的蘇市雨量站及站點的金盆雨量站，如圖7。