撫順渾河流域洪水分析及水位短期預測

楊 驍

（遼寧省撫順水文局,遼寧 撫順 113006）

1 引言

我國在過去幾十年中,由于河岸泛濫以及導致人口過剩的城市化,洪水的脆弱性預計會上升。在過去的半個世紀里,國內與洪水有關的死亡人數以及相關的經濟損失急劇增加。這可能會在極端洪水事件發生后產生嚴重后果,人口和經濟發展不斷增加,造成持續壓力[1-2]。此外,由于流域內的測量站有限且管理不善導致對流域內洪水防治不及時,洪水發生時造成嚴重損失[3-4]。

撫順渾河流域易發生洪水,在過去十年中,由于暴雨頻發,該地區的洪水,盡管做出應對策略,但洪水預報服務和洪水警報方案仍然不夠完善,這些方案旨在提前了解水體狀況,并在某種情況下提供不同的警報,以減輕洪水影響。本文以渾河有研究對象,利用撫順氣象站1974 年～2017 年的月降水觀測資料（來自中國氣象科學數據共享服務網）。同時,從撫順市水文局收集了1964 年～2017 年期間渾河撫順水文站渾河水位和排水量的數據。評估了集水區對降雨和洪水模式的響應,通過提前預報降雨情形預判洪水發生時間,從而提前做出策略,減輕洪水造成的損失。

2 洪水模式分析

對長期降雨分布的分析表明, 多年平均降雨量為776.1 mm, 月平均降水量最低為8 mm , 發生在1 月份, 最高為196.3 mm,發生在7 月份。雨季主要分布在6、7、8 月,月均降雨量均超過100 mm,月最大降雨量分別為223.5 mm、436.1 mm 和346.5 mm。降雨量高于平均值的年份是更容易發生洪水的年份,其中1995 年、2010 年、2013 年和2016 年降水量均高于1000 mm,與渾河下游洪水息息相關。

對撫順氣象站的降雨量和渾河撫順水文站的水位（水文站斷面河床底部到水平面距離）進行聯合分析有助于確定洪水模式。尤其是渾河流域經歷了不同的降雨季節,形成了不同洪水類型。可分為三類（圖1）：分別為單洪峰的洪水（一個長波）、多峰洪水、漫延洪水（一波無明顯峰值）。

圖1 洪水類別

表1 撫順氣象站長期（1974 年～2016 年）月降雨量分布

圖1（a）表示三個水文年（1968 年、1978 年和1994 年）的最高洪峰的洪水。研究顯示,從4 月開始到9 月中旬,出現了單次洪水峰值。從雨季開始,水位緩慢上升,形成洪峰流量。通常,這類洪水的水位最高。洪峰過后,洪水的水位緩慢下降,直到旱季開始圖1 （a）。

具有多個峰值的洪水如圖1（ b）所示,有多個波峰；通常,第一次波峰在3 月底開始,5 月底開始衰退。第二次波峰始于6 月,7 月開始衰退,而第三次波峰始于8 月,9 月結束。1965 水文年共出現三次峰值其中4 月觀測到第一次波峰的高水位為5.1 m,7 月中旬觀測到第二次波峰的最高水位為4.3 m,8 月中旬觀測到第三次波峰的最高水位為4.8 m；1984 年水文年出現多次峰值；5 月上旬觀測到兩次水位峰值,分別為4.9 m 和4.6 m,7 月上旬觀測到兩次水位峰值,分別為5.2 m 和4.8 m,8 月初觀測到一次水位峰值,為5.2 m；1991 水文年觀測到的水位峰值較低最大為8 月中旬的4 m。

圖1（c）表示水文年份（1966 年、1971 年和1972 年）的漫延洪水。通常,這類洪水的水位較高,在整個雨季有幾個中等峰值。峰值流量與其他峰值沒有顯著差異。這些洪水表明,水位從3 月開始上升,到9 月中旬結束。與其他水文年相比,1972 水文年的水位最高。這類洪水的最高洪峰出現在1972 水文年的7 月份,水位為4.1 m。

此后,對52 個水文年的洪水進行了分析。還計算了平均值、最小/最早和最大/最晚水位及其日期（表2）。

表2 1965 年～2016 年渾河洪水參數匯總

表2顯示,在有記錄的52 個水文年中,洪水平均從3 月24 日開始,到9 月21 日結束。6 月29 日平均出現洪峰流量,最高水位為6.00 m。9 月21 日平均洪水結束,渾河洪水的平均持續時間約為180 天。雨季開始前的最低水位和峰值流量之間的水位上升約為3.10 m。

3 多元回歸法預測水位

為了預測渾河撫順水文站的日水位,使用了渾河撫順水文站的數據和撫順氣象站的日降雨量總和。預測前兩天的水位（Hn-2）對應于河床內一定的積水水平。預測前一天的水位變化（ΔHn-1）對應于特定集水區內的當前趨勢,作為對有無降雨的反應。在預測前一天（Xn-1）使用降雨量,以比較收到的降雨量和水位上升的反應。此類相關性的公式如下所示：

式中：Hn為渾河撫順水文站的水位,cm；Hn-2為預測前兩天渾河撫順水文站的水位,cm；ΔHn-1為預測前一天渾河撫順水文站的水位變化,cm；a0、a1、a2為通過普通最小二乘法計算的系數；X為撫順氣象站的日降雨量,mm；n為預測發布日期。

由于某些天的降雨量值等于“0”,因此對兩類方程進行了多元回歸分析：

1）降雨量大于“0”的天數-水位上升的潛在天數。

2）對于降雨量等于“0”的天數-由于集水區內的現有水量而具有靜態水流的天數。

3.1 降雨量大于“0”的水位預測

收到的多元回歸系數為0.87,表明所建立的回歸（2）適用于短期預測交付。渾河撫順水文站降雨量大于“0”天的水位預測公式如下：

降雨量等于“0”時的水位預測

多元回歸系數為0.90,表明所建立的回歸（3）適用于短期預測交付。因此,系數0.90 表明,在無降雨的天數內,所選變量與渾河撫順水文站的水位之間存在很強的關系。在降雨量小于“0”的天數內,渾河撫順水文站的水位預測公式如下：

3.2 多元回歸質量評價

圖2顯示了2015 水文年的預測和觀測水位,并以最小流量天數進行了相同的預測,通過方程2 和3 得出的多元回歸公式與觀測數據相比提供了良好的結果。建立的方程式2 和方程式3 的質量評估基于允許誤差和成功預測的百分比。方程2 和3 的結果表明,91%和96%以上的預測是成功的。因此,建議在交付周期為1 天的渾河水位預測中使用式（2）和式（3）。

4 結論

渾河流域經歷了不同的降雨季節,下游形成了不同洪水類型：單峰洪水、多峰洪水和蔓延洪水。一般來說,洪水每年約有4 個峰值,但在某些年份可能達到6 個,而在其他年份,洪水可能只有1 個明顯的峰值。為了預測渾河撫順水文站的日水位,使用了渾河撫順水文站的數據和撫順氣象站的降雨量數據。這些數據通過兩個多元回歸分別對有降雨和無降雨的天數進行分析。對建立的降雨天數方程質量的評估表明,預測的成功率達到91%～96%。為提前做好洪水防御措施提供了理論依據。