降雨徑流經(jīng)驗相關(guān)法在常德中小河流預(yù)報中的應(yīng)用

張婉柔，吳震中

（常德水文水資源勘測中心，湖南 常德 415000）

湖南歷有“三湘四水”的別稱，其中常德市又有沅水、澧水流經(jīng)，區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密布，囊括了眾多中小河流，使得常德洪水預(yù)報方案的匯編頗有難度。

1 中小河流預(yù)報進(jìn)展

目前，我國的中小河流預(yù)報預(yù)警研究技術(shù)尚未成熟，山洪方面的監(jiān)測系統(tǒng)也還處于試點研究時期[1]。

1.1 國內(nèi)技術(shù)預(yù)報的進(jìn)展

國內(nèi)中小流域洪水預(yù)報預(yù)警方法中，影響較大的主要有參照分布式水文模型山洪預(yù)報預(yù)警、水文比擬法[2]，及與氣象聯(lián)合的集合數(shù)值預(yù)報方法[3]等，此外，還有一些常規(guī)的模型也被使用。

HEC-HMS 降雨-徑流模型，即半分布式水文模型，該模型在國內(nèi)被廣泛運用。鄒楊等將該模型運用到沅江武水流域[4]，通過拆分流域子單元，模擬產(chǎn)匯流過程，率定模型的水文參數(shù)，以進(jìn)行流域出口斷面的洪峰流量及峰現(xiàn)時間等參數(shù)的預(yù)報，該流域模擬效果較好。雍斌等將該模型也運用到了漢江的褒河流域，最終發(fā)現(xiàn)GIS 技術(shù)可結(jié)合一些土壤下墊面基礎(chǔ)資料來推求反映該特征的水文參數(shù)，以此與HEC-HMS 降雨-徑流模型很好的耦合[5]。

還有一種較為傳統(tǒng)的API 模型預(yù)報方案[6]。該方案主要是通過選擇洪水場次，根據(jù)相關(guān)資料分析出流域降雨徑流的相關(guān)參數(shù)，以此繪制出P～Pa～R 相關(guān)圖，然后由凈雨量及推求出的每場洪水的單位線，進(jìn)行最終的洪水預(yù)報。該方案需要包含水位流量雨量蒸發(fā)在內(nèi)的比較全面的歷史資料，同時，對推求出的匯流單位線精度也有一定的要求。

王連華等在英那河流域史家堡水文站所做的降雨徑流洪水預(yù)報方案[7]也是以API 模型為基礎(chǔ)，通過降雨量及Pa，以理念洪水場次作為樣本，推求出P+Pa～R 相關(guān)圖，由P+Pa 即可查出預(yù)報R 值。

1.2 國外技術(shù)預(yù)報的進(jìn)展

1）“HEC-DHM 系統(tǒng)”。這是一種基于分布式水文模型的山洪預(yù)報預(yù)警方案。該方案思路是先將整個流域拆分成眾多子流域，通過對子流域的分析，最終預(yù)報達(dá)到出口斷面的預(yù)警限值需要的流域總面平均雨量。這種預(yù)報方案也需要滿足以下幾個條件：一是有合適的雨量站網(wǎng)布設(shè)，二是設(shè)立了預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，三是降雨的精確性直接影響該模型預(yù)警的精度及預(yù)見期，需要與氣象部門配合、密切聯(lián)系。

2）“FFG 系統(tǒng)”[8～10]。這是基于動態(tài)臨界雨量的山洪指導(dǎo)系統(tǒng)[11]，方案主要是根據(jù)已經(jīng)發(fā)生的降雨量及出口斷面的預(yù)警限值需要的流域面雨量，推求一個還需降落的降雨量，也即“FFG 值”。而該方法需要達(dá)到的條件有兩個，一是流域當(dāng)前土壤含水量，二是流域出口斷面的參數(shù)。

2 本方案預(yù)報的思路

本方案基本參照蓄滿產(chǎn)流的模式進(jìn)行凈雨的計算。其中，對前期土壤含水量已飽和的洪水場次，造峰雨量一般為降雨歷時內(nèi)的累計降雨量；若未飽和，則選擇飽和后的累計降雨量作為造峰雨量。

預(yù)報的思路主要是通過研究中小河流站點歷年來洪峰水位排行前15 的洪水場次，繪制出P+Pa 與洪峰水位的相關(guān)圖及P+Pa 與水位變幅的相關(guān)圖，并在圖上擬定一條擬合度最高且符合實際的相關(guān)線，求得相關(guān)線的公式。在之后的降雨過程中，則可以由2 幅相關(guān)圖計算得到要達(dá)到預(yù)警限值還需要的流域面降雨量，以達(dá)到快速預(yù)警的目的。本方案的預(yù)報思路如圖1 所示。

圖1 方案預(yù)報思路暨技術(shù)方案圖

3 本方案基本情況介紹

本次臨時方案匯編共包含15 個方案，其中沅水4個（延溪深水港站、夷望溪松陽坪站、大楊溪楊溪橋站、蘭溪理公港站），澧水9 個（沙溪河臨安站、道水臨澧站、黃虎港安溪站、道水白洋湖站、仙陽河杜家崗站、竹溪河金盆站、石家河南坪河站、渫水雙合站及渫水雁池站），湖區(qū)2 個（涔水青巖站及滄水朱家鋪站）。

各方案通過分析繪制的P+Pa 與洪峰水位的相關(guān)圖擬合度及相關(guān)線公式如表1 所示。其中，臨安站、金盆站P+Pa 洪峰水位相關(guān)圖如圖2、圖3 所示。

表1 中小河流預(yù)報斷面P+Pa-洪峰水位公式表

其中，可以看出，除了青巖站及杜家崗站的擬合度偏低外，其他站點的相關(guān)線基本能很好地擬合P+Pa 與洪峰水位對應(yīng)的相關(guān)點。而觀察青巖站及杜家崗站P+Pa 與洪峰水位相關(guān)圖，圖上幾乎存在兩條相關(guān)線，分析判斷可能為上下游小型水利工程泄水所致。臨安站、金盆站及南坪河站擬合度極高，所有點幾乎都在相關(guān)線上，可以很好地反應(yīng)P+Pa 對應(yīng)的洪峰水位關(guān)系，做到準(zhǔn)確預(yù)報。

4 本方案的洪水實用性檢驗

本次擬采用2019 年的30 場洪水，用2 種方法對方案進(jìn)行實用性檢驗，每站約檢驗2 場洪水。

方法一：根據(jù)降雨完成時產(chǎn)生的造峰雨量，作為場次內(nèi)流域的面平均雨量，計算得P+Pa，參照繪制的P+Pa 與洪峰水位的相關(guān)圖及P+Pa 與水位變幅的相關(guān)圖，查線得預(yù)報洪峰水位的范圍值，之后跟實際產(chǎn)生的洪峰水位相對比，具體分析如表2 所示。

圖2 臨安站P+Pa-洪峰水位相關(guān)圖

圖3 金盆站P+Pa-洪峰水位相關(guān)圖

方法二：本方法采用了一種逆向反推的思路，類似于求出基于動態(tài)臨界雨量的山洪指導(dǎo)方法中的“FFG值”。主要是在一場強(qiáng)降雨來臨前，根據(jù)氣象的預(yù)報及計算時站點Pa 值，參照P+Pa 與洪峰水位的相關(guān)圖及P+Pa 與水位變幅的相關(guān)圖，以及定好的預(yù)警限值（如金盆站以169.70 m 為基準(zhǔn)水位，當(dāng)水位變幅達(dá)到2.5～3.0 m 時發(fā)布洪水藍(lán)色預(yù)警），推算出達(dá)到預(yù)警限值需要的降雨量。當(dāng)實際降雨量達(dá)到或接近計算出的降雨量時，便可立即采取行動，延長預(yù)見期。具體分析如表3 所示。

檢驗結(jié)論：方法一根據(jù)P+Pa 預(yù)報洪峰水位的方法，預(yù)報值與實際值最大誤差為-0.37 m，基本能滿足預(yù)報要求；方法二根據(jù)Pa 與達(dá)預(yù)警限值P+Pa 推算出的降雨與實際降雨比較，預(yù)報值與實際值幾乎一致。且方法二更能直觀地判斷降雨是否達(dá)到水位預(yù)警限值，但由于各中小河流站點基本建站不久，未發(fā)生較大洪水過程，且今年實際降水偏少，缺乏代表性的洪水場次，還需要后續(xù)修訂及驗證。同時，由于沅江流域及澧水流域以蓄滿產(chǎn)流為主，但也存在超滲產(chǎn)流，因此仍需在實際運用本方案的過程中考慮雨強(qiáng)及降雨的區(qū)域性分布對結(jié)果精確性的影響。

根據(jù)以上結(jié)果并不能完全反映本次預(yù)報方案的合格性，還需再次對擬合度較高的具有代表性的測站選擇20 次洪水場次進(jìn)行分析。本次擬選擇臨安站及金盆站。各站點P+Pa-洪峰水位回歸線圖見圖4、圖5，具體分析如表4、表5 所示。

臨安站為澧水二級支流沙溪河上的水文站點，站點以上集水面積228 km2，站點以上干流長度33.0 km，與河口距離12.0 km。站點采用85 國家基準(zhǔn)高程系統(tǒng)，歷史最高水位48.29 m 出現(xiàn)在2017 年6 月24 日。表中參數(shù)的公式見《水文情報預(yù)報規(guī)范》[12]及《水文資料整編規(guī)范》[13]。面雨量計算中，臨安站流域內(nèi)水文站點的選擇，自上游至下游有舒公殿氣象站（參考）、王家嘴雨量站（參考）、群英雨量站、敖山雨量站及臨安水文站，如圖6。

金盆站為渫水二級支流竹溪河上的水文站點，站點以上集水面積111 km2，站點以上干流長度21.4 km，與河口距離8.6 km。站點采用凍結(jié)高程系統(tǒng)，歷史最高水位172.00m 出現(xiàn)在2016 年7 月20 日。由于該流域面積較小，流域內(nèi)水文站點僅有2 個，分別是上游的蘇市雨量站及站點的金盆雨量站，如圖7。

表2 中小河流預(yù)報斷面實用性檢驗（方法一）

表3 中小河流預(yù)報斷面實用性檢驗（方法二）

圖4 臨安站P+Pa-洪峰水位相關(guān)圖（20 場）

由表4 及表5 分析結(jié)果，根據(jù)《水文情報預(yù)報規(guī)范》6.5.5 表1，當(dāng)合格率≧85%且確定性系數(shù)＞0.90 時，預(yù)報項目的精度等級為甲等。臨安及金盆站的預(yù)報方案能用于該流域的洪水預(yù)報，也驗證了本次預(yù)報方案的合格性。

5 結(jié)論及展望

在各場洪水驗證中，本方案基本能滿足預(yù)報的精度要求，尤其是用方法二參考本方案進(jìn)行預(yù)報，可極大地提高預(yù)報的主動性，在預(yù)警上達(dá)到不漏報。

表4 臨安站洪水場次分析

當(dāng)然，本方案編制仍然存在某些方面的問題，如洪水的高水部分場次不夠、系列年數(shù)不夠等，需通過不斷補(bǔ)充修訂以提高方案的精確性。

圖6 臨安站以上流域水系圖

表5 金盆站洪水場次分析

圖7 金盆站以上流域水系圖

同時，目前正處于水文預(yù)報發(fā)展的新時期，這也要求當(dāng)前水文預(yù)報的思路需由基礎(chǔ)的防汛服務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)槎囝I(lǐng)域服務(wù)[14]。本方案在立足原思路的基礎(chǔ)上，展望未來的發(fā)展方向也將向水文學(xué)與水力學(xué)相結(jié)合及水文氣象預(yù)報耦合的水文預(yù)報階段。