區間來水大的河段洪峰預報方法探討

滕培宋

（廣西壯族自治區水文中心，南寧 530023）

漓江地處廣西主要暴雨區，且區間洪水與桂林水文站以上區域來水多重疊，同時桂林市城區至陽朔縣城河段既沒有攔蓄洪水的水利工程，也沒有大型蓄滯洪區，造成漓江洪水頻發，高質量做好陽朔河段洪水預報，對保障陽朔縣的經濟發展及國內外游客、當地居民的生命財產安全意義重大。陽朔縣城河段洪水組成比較復雜，區間面積占比較大，區間來水量對該河段的洪水預警預報影響很大，故對此進行深入研究十分必要。

1 桂江桂林市城區至陽朔河段洪水概況

1.1 流域概況

桂江屬珠江流域西江水系，其中陽朔縣以上河段又稱為漓江，發源于廣西興安縣華江鄉貓兒山東北面海拔1732 m（黃海基面）的老山界南側[1]。流域面積18 729 km2，其中桂林市流域面積11 643 km2，河道干流全長450 km，干流平均縱坡降0.41‰，河首彎曲系數1.85，河流繼續南流至梧州匯入西江[2]。其中桂林市城區至陽朔縣城河段長為75 km，河床比降約為0.1%。中間有集水面積為100～651 km2的黃沙河、澗沙河、潮田河、良豐河、興坪河、遇龍河等支流匯入。

2.2 氣候概況

桂江流域地處廣西桂北暴雨區，屬濕熱的亞熱帶季風氣候。影響桂江流域的強降雨天氣系統主要有鋒面、切變線、低壓、低渦、高空輻合等。流域暴雨天氣系統具有一定季節性，一般4～6月為鋒面暴雨，往往伴隨著高空西風槽和低渦共同作用；6～7月為渦切線，加上流域高大山脈的屏障和抬升作用，使鋒面靜止或來回擺動[3]。

2.3 洪水組成特征

桂江陽朔河段洪水均為暴雨型洪水，由于桂江流域內暴雨中心大多常出現在華江一帶，上下游暴雨同時性差，大洪水一般都由兩次或多次降雨形成，洪水上漲快，次洪水變幅大。如2008年6月大洪水，最大漲率達0.66 m/h，次洪漲幅達6.83 m。按桂林水文站以上流域降雨量P桂林站與桂林水文站至陽朔水文站區間降雨量P桂林至陽朔關系劃分，陽朔水文站洪水可分為如下幾個類型：

（1）暴雨主要集中在桂林水文站以上區域型，P桂林站≥3P桂林至陽朔，P桂林至陽朔≤20 mm。

（2）陽朔水文站以上流域同時降大雨或大暴雨型，20 mm＜P桂林至陽朔＜1.5 P桂林站。

（3）暴雨主要集中在桂林至陽朔區間區域型，P桂林至陽朔≥1.5 P桂林站。

2 預報方案構建

2.1 水文監測站網布置概況

陽朔水文站于1967年3月設立，位于陽朔縣陽朔鎮木山榨村，集水面積5585 km2，其中桂林水文站至陽朔水文站區間集水面積2823 km2，是桂江中游的控制站。調查最高水位115.55 m，相應流量為8890 m3/s（1885年6月15日），實測最高水位為113.58 m，相應流量為7350 m3/s（2017年7月2日）。區域監測站網布設情況見圖1。

圖1 河段水系及水文監測站布置示意圖

2.2 雨量站取用

將區間分為潮田、良豐、其它3個區域，潮田區域取松江、永同、新寨、彩爵、潮田等5個代表站；良豐區域取頭陂、仁和、良豐等3個站；其它取興垃、龍潭、陽朔、潮田、桂林、良豐、大圩等12個代表站。每塊區域先采用算術平均法計算得到相應時段平均降雨量，再用面積權重求得間區面平均降雨量[4]，這些計算過程已經系統化，只須確定計算時段，取桂林水文站洪峰前12 h至桂林水文站峰現時間止，便可輸出成果。如2019年6月9日洪水過程面平均降雨量計算，潮田、良豐、其它3個區域降雨量分別為20、25、40.5 mm，則區間為（25×224+20×428+40.5×2 171）/2823=36.2 mm。

2.3 構建方案洪水資料選用

選用2010—2019年陽朔水文站洪峰水位在109.50 m以上及2008、2009年最大洪水，其中桂林水文站出峰后區間再降大暴雨的情況不參與，針對這一情況可另行編制方案，共計12場洪水。洪水過程均為遙測采集，并經過匯編審查，雨洪配套資料可靠，雨洪資料成果見表1。

表1 構建方案選用的雨洪資料

2.4 陽朔水文站預報方案構建

2.4.1 增量疊加回歸法

對于暴雨主要集中在桂林水文站以上區域型洪水，采用增量疊加回歸法構建方案。經分析，陽朔水文站洪峰流量Q陽朔m主要與桂林水文站洪峰流量、陽朔水文站同時流量等有關，即Q陽朔m=β（Q桂林m-Q起桂林）+Q起陽朔，β為區間降雨量修正系數，取值0.94～1，區間降雨量10 mm以下為0.94，每增加3 mm，β值增加0.01。

2.4.2 動態面積指數法

陽朔水文站以上流域同時降大雨或大暴雨型洪水，采用動態面積指數法構建方案。動態面積指數法的基本原理是水文比擬法，水文比擬法用于推算上、下游站洪峰流量[5]，常用公式為：

式中：Q陽朔m為陽朔水文站洪峰流量，m3/s；Q桂林m桂林水文站洪峰流量，m3/s；F陽朔為陽朔水文站集水面積，m2；F桂林為桂林水文站集水面積，m2；n為區間時段面平均降雨量相關系數，n=∫P區間面平均，隨區間面平均降雨量變化而變化，通常采用回定值；P區間面平均為區間面平均降雨量，mm。

對所選雨洪9場洪水逐場分析計算面積指數，采用試錯法分析計算，取不同的n值，直至Q桂林m×（F陽朔/F桂林）n=Q陽朔m，此時的n值即為所求，由n與相應的區間面平均降雨量點繪相關圖，過點群中心連成相關圖（見圖2）。

圖2 陽朔間區面平均降雨量～動態面積指數相關圖

2.4.3 區間降雨量回歸法

暴雨主要集中在桂林至陽朔區間區域型洪水，采用區間降雨量回歸法構建方案。經分析，此類型洪水陽朔水文站洪峰流量Q陽朔m主要與區間暴雨、陽朔水文站同時流量等有關。即Q陽朔m=（Q桂林m-Q起桂林）+αP區間面平均降雨量+Qt陽朔，α為區間降雨造峰模數，區間面平均降雨量大于等于150 mm時，取值22 mm。

2.4.4 方案檢驗計算

對建立方案所選用的12場洪水作適用性檢驗計算，根據區間面平均降雨量查圖2，得到對應的面積指數n，代入式（1）式，即可計算得到陽朔洪峰流量，與實測值之差即為計算誤差，也就是預報誤差。取預見期內流量變幅的20%作為預報允許誤差，計算誤差小于允許誤差，則該次檢驗預報合格，否則為不合格[6]。對所構建的動態面積指數法洪水預報方案進行檢驗，結果表明12場洪水預報誤差全部在允許誤差范圍內，洪峰流量預報檢驗結果見表2。

表2 洪峰流量預報檢驗結果

2.5 構建陽朔水文站洪水傳播時間方案

選擇2010—2019年陽朔水文站洪峰水位在109.00 m以上全部洪水資料及相應桂林水文站長洪水資料，逐場統計出陽朔水文站出現洪峰至桂林水文站出現洪峰的時間，分析每場洪水影響傳播時間的主要因素，經對比較分析發現，對于區間降雨量主雨時段主要在桂林水文站出現洪峰時已經基本結束類型的情況，其洪水傳播時間與桂林水文站和陽朔水文站的洪水量級有關，在此擬構建以桂林洪峰水位、陽朔洪峰水位為參數的經驗回歸方程式方案。其基本表達式為：

式中：t陽朔為桂林水文站至陽朔水文站洪水傳播時間，h；Z桂林m為桂林水文站洪峰水位，m；Z陽朔m為陽朔水文站洪峰水位，m；C為常數。

采用電子表格LINEST函數作回歸方程分析，LINEST函數是使用最小二乘法對已知數據進行最佳直線擬合，并返回描述此直線的方程式及參數系數，從而求得洪水傳播時間的回歸方程式：

用所構建的洪水傳播方程式即（3）式對選取的13場洪水傳播時間樣本進行驗算，按《水文情報預報規范》（GB/T 22482-2008）要求，峰現時間以預報根據時間（桂林水文站峰現時間）至實測洪峰出現時間之間時距的30%作為允許誤差，當允許誤差小于3 h，則以3 h作為允許誤差。對所構建的洪水傳播時間方案進行檢驗，結果表明13場洪水的傳播時間預報誤差全部在允許誤差范圍內，傳播時間預報檢驗結果見表3。

表3 洪水傳播時間預報檢驗結果

3 預報方案應用

2020年6～7月，桂北地區受低層低渦切變線、偏南急流、冷空氣南下等天氣影響，造成廣西桂北區域強暴雨頻發，暴雨區域高度重疊，6～7月間桂江反復出現超警戒洪水，桂江陽朔縣城河段短短的35 d內發生3次洪水過程。

3.1 6月6～7日洪水過程

受低層低渦切線影響，桂江流域普降大雨到暴雨，局地大暴雨到特大暴，暴雨中心位于桂林水文站上游，降雨從6月6日18時開始，主雨峰時段為6日20時～7日10時，這次過程主雨區在桂林至陽朔區間，桂林以上面平均降雨量僅為40.7 mm，而桂林至陽朔區間面平均降雨量達162.8 mm，屬于典型的暴雨主要集中在桂林至陽朔區間區域型洪水。

參數代入Q陽朔m=（Q桂林m-Q起桂林）+αP區間面平均降雨量+Qt陽朔，即Q陽朔m=（749-707）+22×162.8+1400，計算得陽朔水文站洪峰流量為5020 m3/s。查Z～Q關系曲線得陽朔水文站相應洪峰水位為112.30 m；將各參數代入（3）式，計算得傳播時間為11.9 h，即陽朔水文站將于7日22時前后出現112.30 m左右洪峰水位。陽朔水文站實際于7日18時出現112.32 m的洪峰水位。

3.2 7月11～12日洪水過程

受冷暖空氣交匯影響，桂江流域暴雨到大暴雨，局地特大暴，暴雨中心位于桂江華江至興坪之間，降雨從7月11日02時開始，這次過程主雨區在桂林水文站以上，桂林以上面平均降雨量達152.5 mm，而桂林至陽朔區間面平均降雨量僅為26.9 mm，屬于典型暴雨主要集中在桂林水文站以上區域型洪水。

參數代入Q陽朔m=β（Q桂林m-Q起桂林）+Q起陽朔，即Q陽朔m=0.98×（2890-468）+309，計算得陽朔水文站洪峰流量為2680 m3/s。查Z～Q關系曲線得陽朔水文站相應洪峰水位為109.10 m；將各參數代入式（3），計算得傳播時間為12.4 h，即陽朔水文站將于12日16時前后出現109.10 m左右洪峰水位。陽朔水文站實際于12日15時出現109.17 m的洪峰水位。

3.3 應用預報成效評價

2020年6～7月間，在短短的30多天里，桂江陽朔河段先后發生3次超警戒或接近警戒的洪水，特別是6月6～7日這次洪水過程，陽朔縣城區出現了1967年建站以來實測第5大洪水，為近10 a一遇中洪水。在基于新安江及馬斯京根匯流的流域模型法，與桂林洪峰、陽朔同時水位、面平均降雨量為參數的回歸方程式法等對以往同類型洪水預報成果誤差的實況，果斷采用本方法的預報成果，及時按區水文局與桂林市水文局、陽朔中心水文站三級聯動機制，提前10多個小時發布陽朔縣洪水預警預報，并針對西街、興坪碼頭等沿江旅游群眾密集區域發布定點精準預警服務，為縣政府提前轉移人員和財物，實現人員零傷亡和財產損失最小化的目標做出突出貢獻，得到桂林市領導高度評價。

4 結語

針對區間面積大、主暴雨區變化較多的河段，要取得更高預報精度結果，就必須根據實際洪水組成特征來分別構建不同情況下不同預警預報參數的洪水預報方案，這是提高洪水預報精度的有效途徑。