基于流溪河模型的中小流域洪水預(yù)報(bào)研究

譚玉坤

(佳木斯水文局，黑龍江 佳木斯 154002)

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基于流溪河模型的中小流域洪水預(yù)報(bào)研究

譚玉坤

(佳木斯水文局，黑龍江 佳木斯 154002)

流溪河模型是一種全分布式的物理水文模型,具體包括流域劃分、蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流計(jì)算、匯流計(jì)算、參數(shù)推求、模擬計(jì)算6個獨(dú)立的模塊。借助流溪河模型的計(jì)算結(jié)果，編制中小流域洪水預(yù)報(bào)方案,首先進(jìn)行關(guān)于流域的水文數(shù)據(jù)收集、分析和整理工作；再進(jìn)行流域的單元劃分及應(yīng)用遙感技術(shù)實(shí)施流域內(nèi)的河道分級分段，同時(shí)對于河道的斷面尺寸進(jìn)行估算；在預(yù)設(shè)模型的參數(shù)初值及進(jìn)行科學(xué)調(diào)整后，通過實(shí)測洪水和運(yùn)用迭代法進(jìn)行參數(shù)值的精確，最終得到模擬效果較優(yōu)的模型。文章結(jié)合實(shí)際對基于流溪河模型的中小流域洪水預(yù)報(bào)模型進(jìn)行了探討。

水文模型；流溪河模型；中小流域；洪水預(yù)報(bào)

0 前 言

我國面積廣闊，中小河流分布較廣，因此由于中小河流暴漲引發(fā)洪水也并不鮮見。且水量集中的中小河流洪水的發(fā)生破壞性特征極強(qiáng)，在一些地區(qū)常常會順帶引發(fā)山地滑坡、泥石流等嚴(yán)重的災(zāi)害，對百姓的生命財(cái)產(chǎn)造成的損害極大，不利于我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但我囯一直以來，對于境內(nèi)中小河流的水文研究和相關(guān)實(shí)地測量資料相當(dāng)缺乏。如果應(yīng)用集總式模型進(jìn)行中小流域的洪水預(yù)報(bào)的編制，在進(jìn)行模型的參數(shù)設(shè)定時(shí)，就會由于資料的不充分而受到相當(dāng)大的阻礙。因此，結(jié)合當(dāng)前我囯中小流域洪水預(yù)報(bào)的相關(guān)條件和實(shí)際情況，我國學(xué)者中山大學(xué)陳洋波教授及科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過10余年的努力研究開發(fā)出來，由于該模型是結(jié)合流溪河流域洪水預(yù)報(bào)而提出的，因此被學(xué)者命名為流溪河模型。建立流溪河模型的資料收集工作相對簡單，利用覆蓋全球范圍的水文數(shù)據(jù)即可，而且獲得這些數(shù)據(jù)是無需付費(fèi)的。洪水預(yù)報(bào)預(yù)警是進(jìn)行洪水防治的重要基礎(chǔ)，通過流溪河模型進(jìn)行中小流域的洪水預(yù)報(bào)，對完善我國的中小河流洪水監(jiān)測系統(tǒng)具有十分重要的作用。

1 基于流溪河模型的中小流域洪水預(yù)報(bào)模型探討

1.1 模型結(jié)構(gòu)概述

流溪河模型有6個獨(dú)立的模塊，分別為流域劃分、蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流計(jì)算、匯流計(jì)算、參數(shù)推求及模擬計(jì)算，由于中小流域洪水預(yù)報(bào)模型是在流溪河模型的基礎(chǔ)上設(shè)立，因此兩者就存在類似的結(jié)構(gòu)。但是，中小流域洪水預(yù)報(bào)模型與流溪河模型不同之處，在于該中小流域洪水預(yù)報(bào)模型中不對蒸散發(fā)和地下徑流相關(guān)因素進(jìn)行考慮，究其原因是中小流域的洪水發(fā)生的過程時(shí)間跨度相對較小，因此這兩個因素對洪水過程造成的影響基本在模型中可以不作考慮。此外，中小流域洪水預(yù)報(bào)模型單元的類型劃分也有其特點(diǎn)，其可分為河道單元、邊坡單元和水庫單元3個單元。模型的單元劃分以流域的水平和垂直的方向角度實(shí)施的，再在流域劃分的單元上來計(jì)算流量，每個單元的徑流量計(jì)算都是以從本單元始，逐單元進(jìn)行匯流，直到流域的出口單元結(jié)束，形成整體的匯流網(wǎng)絡(luò)。流域劃分模塊要保證適當(dāng)?shù)姆直媛屎妥⒅卣w性，同時(shí)在進(jìn)行流域的單元劃分時(shí)，可以將各個單元均可視為具有有物理意義的單元流域，收集單元內(nèi)的流域物理數(shù)據(jù)，比如土壤類型和降雨量等。降雨量可以借助雷達(dá)進(jìn)行估測，或?qū)χ芷趦?nèi)的降雨量進(jìn)行實(shí)測再通過空間插值得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)；進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算需要考慮單元流域的降雨量數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上確定各單元的產(chǎn)流量。對于河道和水庫兩個單元而言，其徑流量的計(jì)算皆以地表徑流量為準(zhǔn)，但進(jìn)行邊坡單元的徑流量計(jì)算，要考慮地表徑流、土壤中流以及地下徑流3個部分；匯流計(jì)算模塊要對每個單元流域的水文過程中的徑流綜合，進(jìn)行匯流計(jì)算。匯流根據(jù)單元劃分的特點(diǎn)又可分為水庫匯流、邊坡匯流、河道匯流以及壤中流匯流，這些不同類型的匯流分別各有其計(jì)算方法。

1.2 單元劃分及河道特征參數(shù)估算方法介紹

流域的單元劃分要結(jié)合實(shí)際的水位情況和流向法進(jìn)行。比如劃分出水庫單元，先考慮的因素是水庫相應(yīng)的防洪高水位，來進(jìn)行水庫單元的確定，將在防洪高水位高程之下的單元設(shè)置為水庫單元；河道單元的劃分方法是，結(jié)合各單元的累積流值的閥值進(jìn)行劃分，如果該單元的累積流大于閥值那么該單元為河道單元，而相對應(yīng)的，如果該單元的累積流小于閥值，那么該單元就被分為邊坡單元。在確定河道單元的基礎(chǔ)上，對河道實(shí)施分級；再在河道實(shí)施分級的基礎(chǔ)上，將河道進(jìn)行分段，對河流分段時(shí)，要結(jié)合流域范圍內(nèi)的遙感影像和河流劃分的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮。在河流上游進(jìn)行河道的實(shí)地測量，由于各種因素的影響，該方案的可行性不高，因此，如何確定河道尺寸成為一個難題。將河道進(jìn)行分級分段工作完成后，結(jié)合遙感影像，若假設(shè)河道斷面是矩形，借助專業(yè)軟件在影像圖上就會得到相應(yīng)的一個斷面尺寸估算值，即得到河道底寬；而對于河道底坡的計(jì)算，可以結(jié)合同一河段的兩端結(jié)點(diǎn)的河道單元邊坡的平均高程得到估算值。通常得到的單元劃分、結(jié)點(diǎn)設(shè)置及河流分級分段結(jié)果圖，如圖1所示。由于模型的數(shù)據(jù)收集無需該方法無需進(jìn)行實(shí)地的河道斷面測量，通過國際互聯(lián)網(wǎng)即可免費(fèi)獲得這些數(shù)據(jù)，而像美國的免費(fèi)遙感影像技術(shù)已經(jīng)達(dá)到全球覆蓋。

1.3 流溪河模型參數(shù)設(shè)定及模型應(yīng)用

基于流溪河模型的中小流域洪水預(yù)報(bào)模型參數(shù)設(shè)定，可以分不可調(diào)參數(shù)和可調(diào)參數(shù)兩大類。不可調(diào)參數(shù)通常包括河流的流向和邊坡單元的坡度值，以流域的物理特性數(shù)據(jù)和D8流向法進(jìn)行確定。我國在中小流域的監(jiān)測一直不完善，因此難以獲得長周期的洪水過程實(shí)測相關(guān)數(shù)據(jù)資料，但近些年的洪水過程資料是可以獲得的。因此模型可調(diào)參數(shù)可以通過流域物理特性數(shù)據(jù)進(jìn)行一個初值的確定，以參數(shù)優(yōu)選方式得到最佳的參數(shù)設(shè)置。目前，流域洪水預(yù)報(bào)模型中集總式模型應(yīng)用較多，常見的如新安江模型、薩克拉門托模型等。如果應(yīng)用集總式參數(shù)優(yōu)選模型，往往就需要收集近數(shù)十年中發(fā)生的數(shù)十場洪水的情況進(jìn)行參數(shù)選定，得到模型會考慮到不同類型的洪水模擬效果，但應(yīng)用到所有場次的洪水模擬或預(yù)報(bào)實(shí)際效果欠佳，這是模型結(jié)構(gòu)的客觀差異性決定的。流溪河模型屬分布式物理水文模型，應(yīng)用中彌補(bǔ)了集總式參數(shù)優(yōu)選模型的很多缺陷，分布式模型參數(shù)相比集總式模型的優(yōu)點(diǎn)在于只需要進(jìn)行一次的洪水實(shí)測，就可以進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選，并且該模型適應(yīng)的洪水場次相對較為全面。

圖1 單元劃分、結(jié)點(diǎn)設(shè)置及河流分級分段結(jié)果圖

2 結(jié) 語

流溪河模型在流域洪水預(yù)報(bào)應(yīng)用中取得了一定的成績，該模型為分布式物理水文模型，相對于目前應(yīng)用較廣的集總式模型需要?dú)v史長期的水文過程實(shí)測數(shù)據(jù)來選定模型參數(shù)具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，而我國在中小河流的河水預(yù)測方面，正是存在缺少較為長期的水文資料這樣的缺陷，因此分布式物理水文模型以其較高的應(yīng)用價(jià)值，成為流域水文模型發(fā)展的新趨勢。

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[2]楊紹沂,姚錫良,黃國如.基于MIKE11的流溪河河段洪水預(yù)報(bào)研究[J].廣東水利水電,2011(S1):16-19.

1007-7596(2017)02-0078-02

2017-02-16

譚玉坤(1982-)，女，黑龍江佳木斯人，工程師，從事水文情報(bào)預(yù)報(bào)工作。

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