基于分布式水文模型的云南省中小河流洪水預(yù)報技術(shù)探究

云南省水文水資源局玉溪分局

摘要：目前中小河流的洪水預(yù)報工作受站點(diǎn)、資料等多方面影響，預(yù)報精度普遍不高，已成為水文預(yù)報工作發(fā)展的一個瓶頸，也是其成長關(guān)鍵點(diǎn)。本文對云南省中小河流區(qū)域洪水預(yù)報工作的特點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行剖析，梳理了中小河流洪水預(yù)報工作的思路、模型以及措施，在部分中小河流流域進(jìn)行了分布水文模型洪水預(yù)警預(yù)報的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，并對今后云南省中小河流洪水預(yù)報工作提出了自己的想法。

關(guān)鍵詞：分布式水文模型；云南?。恢行『恿?；洪水預(yù)報

云南省地處云貴高原，山地高原占全省總面積的94%，眾多河流遍布其間。受地形地勢、氣候更替和人類活動影響，山丘地區(qū)經(jīng)常會發(fā)生暴雨導(dǎo)致的洪水災(zāi)害，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)人員損失，尤其是中小河流區(qū)域內(nèi)暴雨導(dǎo)致的洪水更容易發(fā)生。近年來中小河流暴雨導(dǎo)致的洪水災(zāi)害已經(jīng)成為人員傷亡的首要災(zāi)害類型，嚴(yán)重制約了云南省社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，及時進(jìn)行科學(xué)的中小河流暴雨洪水預(yù)警預(yù)報，對幫助山丘地區(qū)的人民保證其生命、財產(chǎn)安全有著極為重要并且不可替代的意義，更是目前中小河流區(qū)域最現(xiàn)實(shí)、可行的避免災(zāi)害非工程辦法之一。

一、云南省中小河流洪水預(yù)報工作的現(xiàn)狀與難點(diǎn)分析

隨著云南省中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)項(xiàng)目的建設(shè)完成，各水文、水位以及雨量站已逐步投入運(yùn)行。為切實(shí)發(fā)揮這些中小河流水文站點(diǎn)的洪水預(yù)警預(yù)報功能，云南省水文水資源局組織編制了210條重點(diǎn)中小河流217個斷面的洪水預(yù)報預(yù)警工作方案，依托《中國洪水預(yù)報系統(tǒng)》分別建立了每個斷面對應(yīng)的洪水預(yù)報模型。目前采用的主要是三水源新安江模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及VIC分布式產(chǎn)流+ UH_B地貌單位線匯流三種方法。受限于雨量站點(diǎn)的代表性、資料年限以及水利工程的調(diào)蓄影響，預(yù)報精度普遍不高，尤其是人類社會活動對自然產(chǎn)匯流的影響逐年加大，導(dǎo)致洪峰洪量的擬合效果也較差，所以在定量預(yù)報不易完成的情況下，如何最大性質(zhì)的發(fā)揮定性預(yù)報的作用也是我們需要研究的。

目前有關(guān)中小河流的洪水預(yù)報工作已成為水文預(yù)報工作發(fā)展的某種瓶頸，也是其成長關(guān)鍵點(diǎn)。中小河流洪水的數(shù)量多、突發(fā)性強(qiáng)、成災(zāi)快、預(yù)見期短等特點(diǎn)注定了其洪水預(yù)報不能簡單的照搬大江大河相關(guān)洪水預(yù)報的方法措施。云南省中小河流洪水預(yù)報的技術(shù)難點(diǎn)可概括為以下幾個方面。

（1）受歷史站網(wǎng)密度不足影響，中小河流流域內(nèi)幾乎沒有相應(yīng)的水文站點(diǎn)，無系列可用的水文資料，多屬無資料地區(qū)，對各類預(yù)報模型的參數(shù)定制，尤其是傳統(tǒng)集總式水文模型如新安江模型的建立有著致命影響。

（2）中小河流一般地處山丘區(qū)，受地形地勢限制，站網(wǎng)密度不均。即使目前雨量站點(diǎn)的布設(shè)已較密集，但其在中小河流區(qū)域內(nèi)的代表性和面雨量的計(jì)算方面也存在各種問題。尤其是近年來單點(diǎn)暴雨頻發(fā)，而對于這些單點(diǎn)暴雨的相應(yīng)氣象預(yù)報無法滿足水文預(yù)報的實(shí)際要求。

（3）中小河流洪水與降水對應(yīng)關(guān)系極為明顯。受降水不均影響，中小河流洪水發(fā)生地點(diǎn)變化無常，經(jīng)常會出現(xiàn)某個小支流或某一段區(qū)域內(nèi)局部洪水而非主流的出口或入口，加之中小河流洪水多呈陡漲陡落的山區(qū)性洪水特性，其產(chǎn)匯流歷時極短，幾個小時甚至一個小時內(nèi)就完成一次洪水漲落過程，因此很難被預(yù)知，慣例水文六小時報汛的方法是無法有效及時對洪水災(zāi)害進(jìn)行科學(xué)有用的預(yù)報的[1]。

（4）目前的預(yù)報工作中，無論使用哪種方法，都離不開預(yù)報人員對預(yù)報對象的熟悉掌握和豐富的工作經(jīng)驗(yàn)。這就導(dǎo)致中小河流洪水預(yù)報工作無法形成一個統(tǒng)一的技術(shù)要求和預(yù)報方法，而對人員固定的要求較高，一旦出現(xiàn)人員變動就會對預(yù)報工作的連續(xù)性產(chǎn)生極大影響。同時，因沒有專用于中小河流的洪水預(yù)報方法，在預(yù)報工作中都是將現(xiàn)有通用的水文模型或者是集總模型直接作用在這些中小河流的洪水預(yù)報中，缺少針對性，其模型參數(shù)多為移用甚至套用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，不能夠有效適應(yīng)中小河流的洪水特征，故其預(yù)見期和預(yù)報精度均難以滿足實(shí)際需求。

由上可知，雖然現(xiàn)在的水文預(yù)報方法很多，但在中小河流流域洪水的預(yù)報應(yīng)用中卻難以取得良好的效果。隨著計(jì)算機(jī)、3S技術(shù)的發(fā)展成熟，流域網(wǎng)格內(nèi)的下墊面信息逐漸可通過計(jì)算機(jī)自動獲取，結(jié)合建立分布式的水文模型，將會有效解決中小河流洪水預(yù)報工作中存在的各項(xiàng)問題。

二、分布式水文模型的定義簡介

分布式流域水文模型主要思路是將流域逐步分開，分為幾條網(wǎng)格，針對各個網(wǎng)格輸入對應(yīng)的不同降雨，根據(jù)每個網(wǎng)格中的土壤、植被以及高程等不同形式，也就是不同的下墊面條件，對各個網(wǎng)格選擇不一樣的產(chǎn)流計(jì)算參數(shù)來進(jìn)行核算，從而知道其產(chǎn)流量；經(jīng)過和相鄰網(wǎng)格的高程進(jìn)行比較從而斷定每個網(wǎng)格的流向。再依據(jù)每個網(wǎng)格的糙率、比降以及土壤狀況等來計(jì)算其相應(yīng)的匯流參數(shù)，將其徑流推演至流域出口斷面，從而了解到流域出口斷面徑流的整個過程。分布式流域水文模型的參數(shù)需要根據(jù)很多實(shí)際情況來制定，例如地貌數(shù)據(jù)、地勢數(shù)據(jù)以及歷史洪水實(shí)際數(shù)據(jù)資料等等。

三、建立分布式水文模型的方法探究

分布式水文模型的建立是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。主要應(yīng)包括流域網(wǎng)格劃分、下墊面信息自動獲取、計(jì)算機(jī)程序編寫、水文過程模擬、參數(shù)定制、模型驗(yàn)證及評價等幾個步驟及模塊。建立過程中一定要注意各個節(jié)點(diǎn)連接之間的統(tǒng)籌規(guī)劃，做好各項(xiàng)前期準(zhǔn)備工作。

（一）建立分布式水文模型的具體流程

在建立模型之前，其實(shí)分布式水文模型也同其他水文模型一樣，一般都是遵循著水文模型的建模步驟。但在建之前，一定要對流域水文循環(huán)的過程有一個明確的了解和判斷，就比如說如果是在頭腦中勾畫出模型的藍(lán)圖，首先就必須要確定這個模型中要包括哪些主要的水文過程，在確定了之后，就要知道這些過程要以什么樣的方式來表達(dá)，比如在這個模型當(dāng)中到底要不要加入融雪模塊？流域的產(chǎn)流模式是蓄滿產(chǎn)流還是超滲產(chǎn)流？因此，勾畫模型的藍(lán)圖就一定需要建模者對其有足夠的認(rèn)識，包括經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)資料的整合情況以及對研究區(qū)的確切認(rèn)識，也就是說建模者一定要能熟悉掌握整個水文循環(huán)過程，否則就會影響到模型模擬水文過程的擬合程度以及合理性。

要實(shí)現(xiàn)對水文過程進(jìn)行定量模擬的目的，就需要確定各個關(guān)于水文過程的控制方案，并且還要實(shí)現(xiàn)模型從自然語言到數(shù)學(xué)語言的轉(zhuǎn)換。但是，在這里有一點(diǎn)需要注意，就是在表達(dá)水文過程的數(shù)學(xué)方程時，首先就要知道其相關(guān)的假設(shè)與前提，然后再確定這個模型的適用范圍[2]。在明確對水文過程的方案以后，就要把數(shù)學(xué)語言轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)語言，也就是進(jìn)行計(jì)算機(jī)程序編寫和模型開發(fā)。

（二）分布式水文模型的建立方式

分布式水文模型一般采用2類建立的方法：

（1）運(yùn)用數(shù)據(jù)分析幫助建立相鄰網(wǎng)格模塊單元間的時空關(guān)系，就好比SHE類型的模型等。不過其中的結(jié)構(gòu)往往相對復(fù)雜，有著很繁瑣的計(jì)算量。

（2）第二種方法是在每個網(wǎng)格模塊（或者是中小河流的子流域）中運(yùn)用以往的概念性的模型來推求凈雨，然后再把它們都匯流在一起進(jìn)行演算，最后求得出口斷面流量，如SWAT、TOPMODEL模型，也被稱做半分布式水文模型，它們沒有繁瑣的計(jì)算數(shù)量，其結(jié)構(gòu)也相對簡單。

（三）分布式水文模型的模塊開發(fā)

中小河流區(qū)域分布差異變化巨大，而水文實(shí)測數(shù)據(jù)需年限累積，這就對分布式模型在中小河流的通用性上提出了較高的要求。如何有效處理分布式模型以適應(yīng)大多數(shù)的中小河流是重點(diǎn)問題；其次，針對中小河流流域的分布式水文模型，其海量的模型輸入數(shù)據(jù)也很難管理，其獲取、輸入、處理問題也是我們無法忽略的。分布式水文模型的拓展性、應(yīng)用性，直接影響到該模型能否有效展開、開發(fā)成功，也直接影響到該模型的實(shí)用價值[3]。因此，只有結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，將模型分為多個不同的水文模擬過程模塊進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，達(dá)到靈活組合、優(yōu)化配置的目的，才能適應(yīng)不同中小河流的模型運(yùn)用。

四、云南省分布式水文模型的應(yīng)用現(xiàn)狀

受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)手段落后、整體預(yù)報水平不高等多方面的影響，基于分布式水文模型的中小河流洪水預(yù)報方法在云南尚處于起步應(yīng)用階段。目前使用較多的主要是基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、基于空間分布網(wǎng)格化的VIC分布式產(chǎn)流模型和基于DEM網(wǎng)格水文單元的UH_B地貌單位線匯流模型。在預(yù)報手段上，逐步采用規(guī)范的數(shù)據(jù)通信方式和水情信息交換系統(tǒng)，嘗試與氣象預(yù)報、雷達(dá)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸、GIS、數(shù)字模型等高新技術(shù)相結(jié)合；在預(yù)報成果上，由單場次洪水作業(yè)預(yù)報向?qū)崟r滾動預(yù)報發(fā)展；在預(yù)報模型和方法上，以傳統(tǒng)預(yù)報方法為基礎(chǔ)，嘗試應(yīng)用分布式水文模型預(yù)報；在洪水預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)上，依托《中國洪水預(yù)報系統(tǒng)》，構(gòu)建開發(fā)適合云南的相應(yīng)組件或模塊，以期不斷提升中小河流洪水預(yù)報能力。

五、結(jié)語

云南地處云貴高原，山地占全省總面積的94%，眾多的溪溝、河流分布于期間。由于山區(qū)坡度和河道比降均較大，山洪災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重制約了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。自2011年全國中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施以來，目前已完成了全省210條重點(diǎn)中小河流217個預(yù)報預(yù)警斷面的方案編制工作，但受模型方法、資料欠缺、工程調(diào)蓄等問題影響，預(yù)報精度無法滿足實(shí)際需求。隨著水文信息化、自動化的程度越來越高，基于分布式水文模型的中小河流洪水預(yù)報技術(shù)也將不斷發(fā)展完善，中小河流的洪水預(yù)報工作將會變的更容易、快捷、實(shí)用。

參考文獻(xiàn)：

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