預報模型在典型中小河流洪水預報中的應用

董向

(廣東省水文局肇慶水文分局，廣東 肇慶 526060)

0 前言

防汛始終是水文工作的重中之重，洪水預報是水文工作的重要窗口之一。通過水文工作者長期不懈的努力，大江大河洪水預報取得了巨大的進展，預報技術成熟，但在中小河流洪水預報方面，由于點多面廣，水文資料短缺，預報技術尚未成熟，中小河流洪水預報變成了近些年水文工作的重點和難點。中洲河大象站為典型中小河流站，以廣東省中小河流洪水預報預警系統為平臺，利用歷史實測資料，建立傳統相關圖模型和新安江模型預報方案，并對建立的方案進行精度評定，利用近3年場次洪水進行模擬預報，分析模型的適用性，為該地區中小河流洪水預報提供參考。

1 流域概況

中洲河位于懷集縣北部，屬于綏江干流的上游，發源于清遠市連山縣的擒鴉嶺，集水面積908 km2，河長77 km，平均河床坡降2.26‰，屬暴雨高值區，多年平均降雨量1 800～2 400 mm。流域內100 km2以上的支流有小三江水、上帥水、白竹坑水，地貌多為山區、丘陵，植被較好，與馬寧水在懷城鎮匯合流入綏江。流域內無大中型水庫，干流上建有中洲水庫、焦平電站等一批小水電項目，支流上帥水下游建有若干水利工程，包括水庫和若干梯級電站。

大象水文站位于肇慶市懷集縣懷城鎮大象村，設站于1956年11月，集水面積879 km2，為北江中下游地區水文分區的區域代表站，同時也是中洲河控制站，屬省級重要水文站，該站測驗斷面順直、穩定，水位流量關系多呈單一曲線。洪水主要由鋒面雨形成，多在5-7月出現，一般年份有5～6場中高水位洪水，洪水峰高，暴漲暴落，漲落歷時較短，屬典型中小河流站。

2 理論基礎

自然界中的水文現象，是一種由眾多因素相互作用的復雜過程。為了研究這一復雜過程的規律，水文工作者和科學家一直在不斷的探索研究。近年來，為了研究降雨徑流的關系，通過建立模型，去模擬復雜水文過程，以探求其中的規律，人們開發了很多水文模型。在洪水預報中，常用的水文模型有相關圖模型、新安江模型、單位線和API模型等。

采用的平臺為廣東省中小河流洪水預報預警系統，該系統是廣東省水文局委托長江水利委員會水文局對廣東省200～3 000 km2的中小河流，結合南方地區水文、氣象、地理等特點開發的集查詢、建模、預報、會商為一體的洪水預報預警系統。文章以中洲河大象水文站為典型中小河流站，通過該系統，根據歷史實測資料，建立傳統相關圖模型和新安江模型預報方案，并運用方案對該站近3年場次洪水進行模擬預報，統計預報方案的精度，分析模型的適用性，為同類型中小河流洪水預報提供參考。中洲河水系及站點分布見圖1。

圖1 中洲河水系及站點分布圖

2.1 相關圖模型

相關圖洪水預報模型是一種傳統而直觀的洪水預報方法，具有信息量大、物理成因好、使用簡易等優點，在某些地區的預報精度甚至比計算機水文產匯流模型精度更好，因此在洪水預報的實踐中，仍然發揮了重要的作用，與其他水文預報模型一起為洪水預報提供有力支持。傳統意義上的相關圖模型，以圖形方式表述，根據相應水位(流量)預報原理，依據流域上下游站點之間的實測資料建立起來的相應關系，利用相關圖，就可以根據已知數據(降雨、水位、流量)，查詢預報站點的預報水位(流量)。文章采用的為上游降雨為輸入，預報站點洪峰水位為輸出的相關圖模型。

2.2 新安江模型

新安江模型是趙人俊等在1973年對新安江水庫做入庫流量預報工作中，歸納成的一個完整的降雨徑流模型。最初的模型為兩水源(地表徑流和地下徑流)，后來，相繼提出了三水源和四水源的新安江模型。模型主要由4部分組成，即蒸散發計算、蓄滿產流計算、流域水源劃分和匯流計算。廣東省中小河流洪水預報預警系統中，新安江模型相關主要參數意義及取值范圍如下(詳見表1)。

表1 新安江模型相關主要參數意義及取值范圍(廣東省中小河流洪水預報預警系統)

3 預報方案構建

3.1 資料選擇

根據大象站的歷史實測資料情況，選取2004—2014年資料供方案編制，選取2018—2020年實測洪水場次資料用于模擬預報計算，檢驗精度評定方法按照《水文情報預報規范》標準。綜合考慮流域集水面積和產匯流特性，取1 h為預報方案的計算時段長。

由于流域內無蒸發監測站點，蒸發資料系列借用相近的賀江南豐站多年月平均日蒸發量(見表2)。

表2 南豐站多年月平均日蒸發量表 單位：mm

大象站以上流域共有9個雨量站(包括水文站)，通過分析各站數據的可靠性和資料系列同步性，選取長久、加田、小三江、白竹坑、上帥、下帥、中洲、大象8站為雨量計算站點，采用泰森多邊形計算權重系數(見表3)。

表3 大象站斷面以上流域雨量站及權重表

3.2 方案構建

相關圖模型：模型構建采用上游降雨為輸入，預報站點洪峰水位為輸出的相關圖模型，共選取25場洪水建立相關圖方案(見圖2)，由于系統自動生成峰時曲線不合理，采用人工分析，修正峰時相關圖。通過場次洪水對該方案進行精度評定(見表4)。

表4 大象站相關圖模型精度統計表

圖2 大象站洪峰水位預報圖

新安江模型：通過次洪樣本選取-初始值設置-參數優選-參數調整-次洪精度統計，優選模型參數(見表5)，根據南方地區河流特性，結合流域特性，方案的參數基本符合要求。根據優選的模型參數模擬計算各次洪樣本流量過程，并對洪峰、峰現時間、過程水量的相對誤差進行統計，最終以確定性系數評定總體效果(見表6)。

表5 新安江模型優選參數結果表

表6 新安江模型精度統計表

4 預報模型應用分析

為檢驗所建立方案在洪水預報中的適用性，選取2018—2020年7場洪水過程進行模擬預報計算(允許誤差依據《水文情報預報規范》標準)，并進行預報合格率統計。模擬預報計算選取造峰雨結束時刻為開展預報時間，兩種模型洪水模擬預報計算結果和模型方案特點見表7、表8和圖3。

表7 相關圖模型和新安江模型洪水模擬計算結果統計表

表8 大象站相關圖模型和新安江模型預報方案特點表

圖3 2020年6月上旬大象水文站洪水過程模擬預報成果圖(新安江模型)

5 小結

相關圖模型和新安江模型在典型中小河流站洪水預報中，均具備一定的參考價值，且各有優勢，在實際預報中需根據預報的目的和需求，選擇相應的預報模型，以取得最優預報結果。

選取構建方案的洪水過程均為單峰型，且資料系列不完整(2015—2017年資料系列缺少)，預報方案在復峰或復漲型洪水模擬預報中表現一般，仍需增加樣本數量，優化模型參數，提高預報方案的合格率。且歷史洪水進行模擬預報計算不能代表實際預報作業，預報方案在防汛實戰中的適用性仍待進一步驗證。

由于資料所限，方案建立中未進行洪水場次分類，在模擬預報計算中未進行歷史相似洪水對比分析，后續加入相關內容，將能有效提高方案的實用性。

水利工程對河流行洪影響程度有待進一步研究，流域內水庫、梯級電站改變了河道的天然水文特性，干擾了河道行洪規律，尤其在中小洪水中，影響顯著。在實際洪水預報中，需熟悉流域特性，適當調整預報模型相關參數，才能取得更高的預報精度。

建立的預報方案相關參數對南方地區山區性河流洪水預報具有一定借鑒和參考意義，為南方無資料地區中小河流洪水預報提供了參考。