中小河流洪水預報預警方法探討

胡春雙,王占興，孫永賀

(黑龍江省牡丹江水文水資源中心,黑龍江 牡丹江 157000)

牡丹江市位于黑龍江省東南部，以山地、丘陵為主，呈現出中山、低山、丘陵、河谷盆地四種地質形態，被稱為“九分山水一分田”。轄區內丘陵山區性河流多，落差較大，流域面積50～200 km2的河流有180余條，200～1000 km2的河流有50余條。由于流域內中小河流堤防防洪標準普遍偏低或無堤防，洪水致災可能性大。特別是近年來極端天氣事件增多，局地強降雨造成中小河流突發性洪水頻繁發生，給人民生命財產造成極大威脅。

近年來，國家進一步加強黑龍江省中小河流治理，加大中小河流防洪工程措施及非工程措施投資力度，牡丹江市中小河流水文監測站點不足現狀得到了改善，已有19條中小河流建成了專用水文(位)站。但由于觀測時間短，資料匱乏，這些中小河流短期內無法建立較高精度的洪水預報預警方案。如何充分發揮已建成中小河流水文監測站點的經濟效益和社會效益，加快構建中小河流洪水預報預警體系，研究適用本流域中小河流暴雨洪水特點的預報預警方法已迫在眉睫。

1 中小河流洪水預報預警存在的難點

一般中小河流洪水預報采用的方法主要有單位線、新安江模型、分布式水文預報模型等，預報預警的方法雖多，但應用于中小河流的預報卻往往難以取得好的效果[1]。洪水預報精度不高是目前中小河流洪水預報預警面臨的普遍問題。目前，牡丹江市中小河流洪水預報預警存在以下難點：

(1)中小河流水文監測站點建成時間短，資料積累不足。牡丹江市中小河流專用水文站、水位站、雨量站2016年投入使用，運行時間較短，經歷洪水次數少，導致洪水預報方案制作所需必要數據不足，短期內無法建立較高精度的預報方案。

(2)實測流量數據少，獲得洪峰流量難度較大。中小河流水文監測站目前普遍采用無人值守與巡測結合的測驗方式，監測站點與勘測隊距離一般較遠，中小河流暴漲暴落，漲洪歷時較短，一場洪水過程中，水位監測采用遙測技術，能監測洪水全部漲落過程，但全過程實測流量無法全面取得，積累詳實實測流量數據較困難，特別是洪峰流量測得難度較大。且中小河流沖淤變化大、水位流量關系不穩定，影響建立預報方案的精度。

(3)洪水預報預警的預見期很短。中小河流一般集水面積較小，洪水普遍存在暴漲暴落，洪水歷時較短，一般洪水匯流時間只有幾小時，甚至不足1 h，洪水預報預警的預見期很短。

(4)現有方法預報精度普遍不高。牡丹江市中小河流暴雨洪水往往是蓄滿與超滲產流共同作用，新安江模型產流方式為蓄滿產流洪水預報模型，應用于牡丹江市中小河流洪水預報效果不理想。廣泛應用于中小河流的分布式模型，參數由地形、地貌數據結合實測歷史洪水資料的率定得到[2]，需要數十年的資料積累，同時需要雷達測雨、遙感、地理信息系統、數值計算和計算機等技術的支撐，參數調試難度大，目前預報精度普遍不高。

牡丹江市中小河流普遍地處山丘區，具有源短流急，洪水具有強度大、破壞力強、歷時短、難預報、難預防的特點[3]。研究簡單易行、及時準確的預測預報方法，建立好洪水預報預警方案，為中小河流洪水及時預警是亟待解決的問題。

2 降雨指標與洪峰水位(流量)相關法

為了發揮中小河流水文監測站點在抗洪減災工作當中的應有作用，有效解決中小河流預報預警工作中的難題，必須研究及時可靠的洪水預報預警方法，方法須簡單易算，達到一定精度。

降雨是產生徑流的最直接因素，根據牡丹江市中小河流特點、監測站點現狀及資料實際情況，采用降雨相關參數與洪峰水位(流量)相關，建立相關方程，通過流域內多個站點的分析計算，精度較高。統計了2017—2019年70余場次洪水，為7處中小河流站點建立預報方案，方案的平均合格率達到79%。2020年,“巴威”“美莎克”和“海神”3個臺風先后侵襲牡丹江市，轄區內中小河流洪水多發并發，采用降雨參數與洪峰水位(流量)相關法進行流域內中小河流水文站點預測預警，及時準確，簡單易行，取得了較好的效果，在2020年中小河流洪水預報預警工作中發揮了重要作用。

經驗相關法是統計某單一水文要素，如次降雨量、次地面徑流量、洪峰流量等，根據水文要素的原因與結果，自變量與因變量的實際觀測值，采用相關統計的方法，求出它們之間的定量關系，也就是相關關系[4]。經驗相關方法的關鍵是在次洪水多種水文要素中選取出適合河流實際情況的預報因子，并能建立良好的相關關系，牡丹江市中小河流具有暴漲暴落特點，漲洪歷時較短，一般洪水匯流時間只有幾小時，甚至不足1 h，資料積累情況為場次洪水水位資料比較完整，高水位實測流量資料不足，部分站水位流量關系不穩定。因此，沒有考慮洪峰流量，而選取降雨作為洪峰水位的預報因子，采用降雨的相關指標與洪峰水位建立相關關系。

根據牡丹江市中小河流歷史實測水文資料，挑選單峰形狀場次洪水，統計多種洪水要素，包括降雨歷時、面平均雨量、起漲時間、起漲水位、洪峰水位、暴雨中心等。選取面平均雨量、降雨歷時、洪峰水位三個敏感因子，通過線性或非線性回歸方程擬合，分別建立了兩種類型的相關關系，一種是面平均雨量與洪峰水位，另一種是面平均雨量、降雨歷時與洪峰水位。經過實踐證明，由于前者未考慮降雨歷時，用此法建立方案的合格率普遍低于后者。因此選面平均雨量、降雨歷時與洪峰水位相關關系，率定確定回歸方程參數，建立面降雨、降雨歷時與水位方程，編制中小河流洪水預報預警方案。此方法建立的方案精度高，簡單易操作，預報因子少，無須流量數據，可直接預報洪峰水位，便于與警戒水位相關聯，是中小河流預報預警的有效方法。

3 典型河流實例

馬橋河是牡丹江市穆棱河右岸一級支流，具有典型的山溪性河流特點。發源于太平嶺西坡，上游叫西南溝，沿溝由西南流向東北，于穆棱市下城子鎮仁義村附近注入穆棱河。源頭海拔540 m，河流長42 km，流域面積451 km2。沿程有支流狐貍迷河匯入。馬橋河下游河谷寬闊，土地肥沃，河口通常寬14 m，深0.9 m。

3.1 水文氣象特征

馬橋河流域屬中溫帶大陸性季風氣候，夏季溫熱濕潤，冬季寒冷干燥，年平均氣溫2.5℃。多年平均降水量516.1 mm，降水的年際變化較大，歷年最大降水量為728.3 mm(1965年)，歷年最低降水量僅351.9 mm(1979年)。降水主要集中在汛期6—9月，多年平均6—9月降水量為377.1 mm，約占年降水量的70%。歷年最大6—9月降水量564.0 mm(1965年)，歷年最小6—9月降水量188.8 mm(2005年)。

馬橋河洪水為典型的雨洪徑流，年最大洪峰集中出現在汛期6—9月，尤以7月份、8月份最為集中。洪水過程大多為單式洪峰，洪峰停留時間一般在30 min左右，漲、落水歷時都比較短，峰型尖瘦。

3.2 方案建立與評定

馬橋河流域預報斷面為馬橋河鎮水文站，上游有紅房子經營所、馬橋河鎮等8處雨量站。雨量資料系列為2017—2019年3年，具有較齊全的1 h雨量摘錄資料；水位資料系列為2017—2019年3年，有6—9月完整洪水過程水位資料。

根據雨量和水位資料，共選取馬橋河鎮水文站2017—2019年12場次單峰洪水過程。統計降雨起止時間、次雨量、起漲時間、起漲水位、洪峰水位、暴雨中心等多種水文要素，分析計算得出降雨歷時、面平均雨量、雨強、水位漲幅、峰現時間等預報因子。其中次洪水水位變幅能直接反應洪峰水位，建立洪水預報方案時只需考慮水位變幅與其他預報因子關系。因此，選取水位變幅為因變量，面平均雨量、降雨歷時為自變量，組成多元線性回歸方程。其數學表達式(1)及意義如下：

Y=b0+b1X1+b2X2

(1)

式中：Y為水位變幅，m；X1為面平均雨量，mm；X2為降雨歷時，h；b0為常數系數；b1、b2為回歸系數。

通過多元線性回歸分析計算，檢驗結果列于馬橋河鎮站回歸方程擬合度檢驗和系數表中。由表1可知，復相關系數R為0.898，確定性系數R2為0.806，說明回歸方程代表性較好；回歸方程常數系數b0為0.536、回歸系數b1、b2分別為0.0325、-0.085，得出多元線性回歸方程式(2)為：

Y=0.536+0.0325X1-0.085X2 (2)

根據已選取的馬橋河鎮站2017—2019年12場次洪水要素數據，把各場次洪水的面平均雨量和降雨歷時代入多元線性回歸方程式，計算出相應場次洪水水位變幅估算值，并繪制水位變幅實測值與估算值擬合曲線圖，由圖1可見，實測值與估算值擬合度良好。

圖1 馬橋河鎮站水位變幅實測值與估算值擬合曲線圖

本方案以合格率進行評定。根據得出的回歸方程，建立面平均雨量、降雨歷時與水位變幅線性關系表，建立馬橋河鎮站洪水預報方案。由回歸方程擬合率定結果可知，洪峰水位預報值與實測值擬合效果較好。在已選取2017—2019年12場次洪水中有10場次相對誤差小于允許誤差(水位變幅的20%)，合格率達到83.3%，該預報方案評定為乙級方案。馬橋河鎮站洪水預報方案評定結果見表2。

表2 馬橋河鎮站洪水預報方案評定

根據建立的洪水預報方案，對馬橋河鎮站2020年4場次洪水進行預報檢驗，有3場次相對誤差小于允許誤差(水位變幅的20%)，合格率達到75%。檢驗結果見表3、圖2。

表3 馬橋河鎮站2020年洪水預報檢驗

圖2 馬橋河鎮站2020年洪水實測值與預報值擬合曲線圖

4 結 論

由于牡丹江市中小河流具有暴漲暴落、匯流時間短的特點，水文資料積累時間只有短短幾年，水文預報難度較大，水文預報模型難以取得好的效果。采用降雨量與洪峰水位相關，相關關系不很理想，引入降雨歷時參數，采用面降雨、降雨歷時與水位建立相關關系，降雨參數與洪峰水位相關建立洪水預報預警方案，具有涉及洪水要素少，直觀和簡單實用，作業預報耗時短的優勢，有效克服了山溪性中小河流洪水預見期短，為防洪減災爭取寶貴時間。通過馬橋河等中小河流實例驗證，方案精度較高，此方法可較好應用于具有相同特點中小河流洪水預報預警中。

此方法為洪水要素簡易預報，應進一步加大水文監測數據收集整理，充分發揮計算機科學等技術的優勢和作用，建立更加完善的洪水預報數據庫，為模型構建提供有力的支撐，這是今后進一步研討的方向。