資水柘桃區(qū)間“140716”洪水與“150602”洪水分析與思考

余德華

（益陽水文水資源勘測局 益陽市 413002）

引 言

暴雨是影響柘桃區(qū)間的主要災害性天氣，暴雨引起的洪澇災害給人民生命財產(chǎn)和國民經(jīng)濟建設(shè)帶來巨大損失。資水柘桃區(qū)間為強降雨頻發(fā)地區(qū)，受復雜的地形地貌條件和不穩(wěn)定的氣候影響，出現(xiàn)短歷時、集中性降雨機率大，這些地區(qū)山高坡陡，地質(zhì)多為破碎板頁巖結(jié)構(gòu)，巖層松散，結(jié)構(gòu)力差，雨強大，產(chǎn)匯流速度快，為山洪地質(zhì)災害多發(fā)、易發(fā)區(qū)，極易引發(fā)山洪地質(zhì)災害。特別是近年來，極端天氣現(xiàn)象增多，集中性降水、暴雨等極端天氣在增加。在影響柘桃區(qū)間的各種洪水類型中，以暴雨洪水發(fā)生最為頻繁，影響范圍廣，危害也最為嚴重。“140716”及“150602”暴雨強度罕見，就降雨空間分布、雨強及洪水形成因素而言，兩場洪水極其相似，“150602”洪水量級較小，在于暴雨持續(xù)時間較短及柘溪下泄較小所致。兩場暴雨洪水給資水柘桃區(qū)間造成了嚴重的經(jīng)濟損失。

1 流域概況及柘桃區(qū)間洪水

資水是長江流域洞庭湖水系的第三大河流。流域內(nèi)丘陵、盆地約占40%，大部分布在上游和下游，山丘區(qū)約占50%，主要分布在中游，其余為平原湖區(qū)。

柘桃區(qū)間位于流域的暴雨中心，降雨多由低壓、鋒面、切變等天氣系統(tǒng)所造成，一次降雨歷時一般在3 d 左右，最長達6 d 以上，區(qū)間形成大洪水的集中暴雨一般在24 h 左右，為下游洪水的主要來源之一。柘桃區(qū)間面積只占柘溪以上流域面積的20%左右，但區(qū)間的洪峰流量一般卻相當于柘溪壩址以上洪峰流量的50%～70%。

柘桃區(qū)間洪水有以下三種組合： ①柘溪以上洪水為主，區(qū)間洪水較小（包括洪峰錯開）；②柘溪泄洪和柘桃區(qū)間年洪水相遇；③區(qū)間洪水較大，柘溪洪水較小。

2 “140716”洪水與“150602”洪水成因?qū)Ρ确治?/h2>

2014年7月14日20 時至16日8 時，資水柘益區(qū)間發(fā)生了一次強降水過程，柘桃區(qū)間普降大到特大暴雨。本次過程降雨量達100 mm 以上的站點有52 個，其中達200 mm 以上的站點有30 個，達300 mm 以上的站點有11 個。受此降水影響，資水中下游水位迅速上漲，與此同時，柘溪電站入庫不斷增大，從7月15日14 時入庫達6 000 m3/s 以上，湖南省防指調(diào)度下泄3 000 m3/s，16日2 時下泄4 000 m3/s，17日6 時隨著入庫流量的減小，下泄減至3 000 m3/s，8 時減至滿發(fā)1 880 m3/s 下泄。

2015年6月2日凌晨2 時開始，安化縣普降大到特大暴雨。本輪降雨12 h 內(nèi)降水超50 mm 的站點有87 個，超100 mm 的有37 個，超200 mm 的有8個。受此降水影響，資水中下游水位迅速上漲，與此同時，柘溪電廠不斷加大泄量。

3 預報方法

（1）API 模型。

①產(chǎn)流。API 模型以流域降雨產(chǎn)流的物理機理為基礎(chǔ)，以主要影響因素作參變量，建立降雨量P與產(chǎn)流量R 之間的相關(guān)關(guān)系，常用的參變量有前期土壤含水量Pa、降雨歷時、雨強、雨型、暴雨中心等，最常用的是三變量相關(guān)圖：R＝f （P、Pa），Pat+1=K（Pt+Pat），三變量相關(guān)圖制作簡單，即按變數(shù)值（Pt、Rt）的相關(guān)點繪于坐標圖上，并標明各點的參變量Pa 值，然后根據(jù)參變量的分布規(guī)律以及降雨產(chǎn)流的基本原理繪制Pa 的等值線族。

②匯流。流域匯流預報是指凈雨量預報流域出口斷面的洪水流量過程，包括地面徑流、壤中流和地下徑流匯流而匯集于出口斷面的流量過程預報。單位線是指在給定的流域上，單位時段內(nèi)分布均勻的1 單位凈雨量的直接徑流產(chǎn)流量所形成的流域出口斷面流量過程線，記為UH。當實際降雨量和流量過程線分析推求UH 時，需做2 個假定：①如果單位時段內(nèi)凈雨深是n 個單位，它所形成的出流過程線的總歷時與UH 相同，流量值則是UH 的n 倍。②如果凈雨歷時是m 個時段，則各時段凈雨所形成的出流過程之間互不干擾，出口斷面的流量過程等于m 個流量過程之和。

（2）新安江模型。

益陽市地處山區(qū)濕潤氣候帶，徑流的來源是降雨。多年的研究和實踐表明這類地區(qū)的降雨產(chǎn)流機制主要是蓄滿產(chǎn)流。因此采用三水源產(chǎn)流模型（SMS_3）、三水源滯后演算模型（LAG_3）、馬斯京根河道分段連續(xù)演算（MSK）構(gòu)建一套概念性模型預報方案。

①三水源產(chǎn)流模型（SMS_3）包括蒸散發(fā)計算、產(chǎn)流量計算和分水源計算三部分。

蒸散發(fā)計算：流域蒸散發(fā)量采用三層蒸發(fā)模式計算。

產(chǎn)流量計算：用流域蓄水容量曲線來考慮流域面上土壤缺水量與蓄水容量相等。設(shè)點蓄水容量為Wm，其最大值為Wmm，流域蓄水容量曲線是一條b次拋物線。當扣去蒸發(fā)后的降雨P(guān)E 小于0 時，不產(chǎn)流，大于0 時則產(chǎn)流。

產(chǎn)流又分局部產(chǎn)流和全流域產(chǎn)流兩種情況：

當PE+a＜Wmm 時，局部產(chǎn)流量為：

當PE+a≥Wmm 時，全流域產(chǎn)流量為：

R=PE-（WM-W）

分水源計算：對濕潤地區(qū)以及半濕潤地區(qū)汛期的流量過程線分析，徑流成分一般包括地表、壤中和地下這三種成分。

②三水源滯后演算匯流模型(LAG_3)：流域?qū)粲赀^程的作用表現(xiàn)為推移和坦化。凈雨過程經(jīng)過推移和坦化后變成洪水過程線。滯后演算法就是把洪水波運動中的平移與坦化兩種作用分開且一次處理。

③馬斯京根河道分段連續(xù)演算（MSK）：馬斯京根法20 世紀30年代在美國馬斯京根河首先使用，是一個經(jīng)驗性的方法，后被證明與擴散波理論是完全一致的，其參數(shù)的物理意義與函數(shù)形式都很明確，廣泛應(yīng)用于河道匯流演算。馬斯京根法的基本原理是基于水量平衡方程：（I1+I2）-（O1+O2）=W2-W1和槽蓄方程W=K[xI+（1-x）O]=KQ′，式中：Q′=xI+（1-x）O。

柘溪水庫入庫流量預報方案：冷水江+冷柘區(qū)間。冷水江輸入采用馬斯京根河道連續(xù)演算法（MSK），冷柘區(qū)間輸入采用蓄滿產(chǎn)流模型（SMS_3）和滯后演算模型（LAG_3），區(qū)間其結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 柘溪水庫預報結(jié)構(gòu)圖

方案參數(shù)率定采用1996、2001、2003、2004、2005、2007、2009、2010、2012、2014年汛 期資料，模型檢驗采用1998、2002、2006、2011、2013年汛期資料進行檢驗。率定方法采用單純形法，雨量權(quán)重計算采用泰森多邊形法。柘溪站率定參數(shù)見表1。

表1 新安江模型率定參數(shù)（柘溪）

桃江站洪水預報方案：預報方案以柘溪出庫+柘桃區(qū)間作為輸入，河道匯流采用馬法演算，區(qū)間產(chǎn)流采用新安江三水源蓄滿產(chǎn)流模型計算，區(qū)間匯流采用流域滯后演算計算。區(qū)間輸入采用蓄滿產(chǎn)流模型（SMS_3）和滯后演算模型（LAG_3），其結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 桃江站預報結(jié)構(gòu)圖

方案參數(shù)率定采用1995、1996、1998、2002、2008、2011、2012、2014年汛期資料，模型檢驗采用1994、1999、2004、2007、2010年汛期資料。率定方法采用單純形法，雨量權(quán)重計算采用泰森多邊形法。桃江站率定參數(shù)見表2。

表2 新安江模型率定參數(shù)（桃江）

通過對這些參數(shù)進行合理估計，實際應(yīng)用中，由于不能建立這些參數(shù)與地形、植被和土壤特性之間的明確數(shù)量關(guān)系，參數(shù)的直接確定仍有一定的難度。新安江模型的輸入簡單，實用性強，在我國大部分地區(qū)已廣泛應(yīng)用，但其很多參數(shù)物理意義不明確，還需進一步研究。

4 原因分析

“140715”及“140716”洪水，根據(jù)柘桃區(qū)間降水及柘溪下泄，采用API 及新安江三水源模型綜合分析于2014年7月16日3 時發(fā)布預報： 桃江站洪峰出現(xiàn)時間為7月16日22 時左右，洪峰流量7 800 m3/s，洪峰水位42.3 m。實況：桃江站洪峰水位42.67 m，實測流量8 500 m3/s，洪峰出現(xiàn)時間7月16日20時，之后水位回落，出現(xiàn)洪峰水位。7月16日5 時開始，安化境內(nèi)再次普降大到特大暴雨，柘益區(qū)間水位再次上漲，根據(jù)柘桃區(qū)間降水及柘溪下泄，采用上述兩種方法綜合分析于7月16日9 時發(fā)布預報：桃江站洪峰出現(xiàn)時間為7月17日1 時左右，洪峰流量8 900 m3/s，洪峰水位43.0 m。實況：桃江站洪峰出現(xiàn)時間7月17日0∶35，洪峰水位42.93 m，實測洪峰流量8 930 m3/s。

“150602”洪水，根據(jù)柘桃區(qū)間降水及柘溪下泄，采用API 及新安江三水源模型綜合分析于2015年6月2日15 時發(fā)布預報：桃江站洪峰出現(xiàn)時間為6月3日3 時左右，洪峰水位38.8 m，洪峰流量為4 200 m3/s。實況：桃江站于6月3日1 時出現(xiàn)洪峰，洪峰水位為38.71 m，實測洪峰流量為4 370 m3/s。

洪號“140715”預報值與實測值出入較大，原因：①“140715”暴雨強度大，下滲相對較小，產(chǎn)匯流快；②山塘及中、小型水庫前期蓄水較多，下泄量預估過??；③降水主要集中在安化境內(nèi)；④東坪、株溪口調(diào)度時堵洪1 h 時左右；⑤API 模型預報，前期土壤量Pa 值取值偏小。洪號“140716” 預報值與實測值接近，原因：①預估山塘及中、小型水庫下泄量與實際下泄比較接近；②東坪、株溪口閘門全開泄洪，滯洪小； ③API 模型預報，Pa 值取值接近實況。洪號“150602” 預報值與實測值接近，原因：①雨強及降雨空間與“140715”暴雨極其相似，山塘及及中、小型水庫蓄水較多，充分預估了其下泄量，預估與實際下泄比較接近；②柘溪按滿發(fā)下泄，東坪、株溪口閘門全開泄洪，滯洪?。虎跘PI 模型預報，前期土壤量Pa值取值接近實況。預報值與實測值對比見表3。

5 幾點思考

暴雨洪水產(chǎn)生于暴雨，暴雨形成于一定天氣系統(tǒng)。由于特定流域內(nèi)天氣系統(tǒng)類型具有相對穩(wěn)定的規(guī)律，使流域內(nèi)暴雨過程得以重演，從而形成的洪水過程具有相似性。資水柘桃區(qū)間山洪災害頻發(fā)，影響洪水預報精度的不確定性因素很多，面對復雜多變的天氣特征和受諸多人為因素影響的河道現(xiàn)狀，有幾個問題值得探討：

表3 預報值與實測值對比表

（1）安化為暴雨頻發(fā)區(qū)，而且近些年汛期暴雨與特大暴雨頻發(fā)。山塘，中、小型水庫的下泄流量根本無法獲知，安化的山塘、水庫下泄這塊在洪水預報中不可忽視，這也是影響洪水預報精度的一個重要的不確定性因素。目前益陽市中小型水庫水情自動測報系統(tǒng)及實時監(jiān)控管理信息系統(tǒng)已建成，建議與水利部門對接，將山塘、水庫數(shù)據(jù)庫整合到水情數(shù)據(jù)。

（2）桃江的水位流量關(guān)系問題至關(guān)重要，它直接影響預報水位的準確性。近年來，桃江的水位流量關(guān)系年際間變化較大，時大時小，時小時大，這給洪水預報增添了難度，其結(jié)果是直接導致預報水位的準確性。因此建議桃江站在加強流量測驗的前提下，在高洪水位下對桃江站上下一定范圍內(nèi)進行同步Z～Q 測驗。

（3）柘溪以下梯級電站的調(diào)度問題。近年來，資水柘桃區(qū)間相繼建成東坪、株溪口、馬跡塘、白竹洲、修山5 級梯級電站，電站為擋水建筑物，對河道行洪自然有影響，給柘桃區(qū)間的洪水預報增添了不少不確定性因素。《資水柘溪以下梯級電站聯(lián)調(diào)方案》經(jīng)市、縣防辦，各梯級電站及有關(guān)人員反復討論，并通過了專家評審，一致認為方案技術(shù)上合理、可行，因而市、縣兩級梯調(diào)小組成員務(wù)必嚴格按《聯(lián)調(diào)方案》執(zhí)行，同時防止各梯級電站無序泄洪，人為造峰，柘溪以下5 級梯級電站雨水情信息遙測系統(tǒng)已建成，建議與市水文局水情科實現(xiàn)信息共享與對接。

（4）資水柘桃區(qū)間的5 個梯級電站除馬跡塘之外均在2005年以后才陸續(xù)建成，在構(gòu)建新安江模型時，所采用的資料大多為梯級電站未建之前的資料（自2003年以來，桃江站除2014年發(fā)生了一場較大洪水過程外，其余年份為中小洪水），許多參數(shù)還有待進一步完善與優(yōu)化。就新安江模型而言，具有三個方面的不確定性：一是模型參數(shù)的不確定性，這主要是由于水文變量和模型參數(shù)具有很大的隨機性；二是水文過程的不確定性，主要是由于氣象水文條件和水流運動的復雜性所引起的； 三是模型自身的不確定性，不同的模型或同一模型在不同的空間和時間分布下使用同樣的參數(shù)可能會得到較大差別的計算結(jié)果。提高洪水預報精度，不僅需要能客觀反映流域下墊面條件差異性及其水文響應(yīng)的水文模型，而且還需要準確的降雨時空信息。

（5）加強河道管理。資水柘桃區(qū)間位于流域的暴雨中心，暴雨產(chǎn)生的泥石流、山體滑坡、洪澇災害頻發(fā)，河道行洪能力明顯減弱。建議加強采砂整治，對亂建、濫倒等破壞侵占河道的違法行為加大打擊力度。

（6）加強技術(shù)隊伍培養(yǎng)。洪水預報相對復雜，如何建立集雨水情信息采集、查詢、預報與調(diào)度為一體的高效的洪水預報系統(tǒng)，提高洪水預報的精度和延長有效預見期，為防洪調(diào)度及防災減災爭取主動、最大限度地減少經(jīng)濟損失提供決策支持和服務(wù)。筆者認為需定期舉辦如現(xiàn)代水文模擬與預報技術(shù)、模型預報、3S 技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等方面的培訓。

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