雙超模型在東莊水文站控制流域洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用

費(fèi)曉軒

摘要：山西省東莊水文站控制流域地處半濕潤半干旱地區(qū)，流域分南、北兩支，流域洪水多為暴雨引發(fā)，但暴雨的分布不均勻，不同地區(qū)降水強(qiáng)度相差很大，徑流形成機(jī)制較為復(fù)雜。文章收集了東莊水文站控制流域場(chǎng)次暴雨洪水資料，采用劃分單元節(jié)點(diǎn)與雙超模型相結(jié)合的預(yù)報(bào)方法，初步建立了控制流域洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并采用近年洪水進(jìn)行了洪峰、洪量、峰現(xiàn)時(shí)間精度評(píng)定，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：半干旱;半濕潤;單元;節(jié)點(diǎn);雙超模型

中圖分類號(hào)：S914文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

1流域概況

東莊水文站位于古縣岳陽鎮(zhèn)東莊村洪安澗河上，屬黃河流域汾河水系，地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°52′23″，北緯36°13′34″。該站集水面積987km2，斷面以上主河道長度35km，主河道平均坡度11.6‰，主要支流有古縣河和石壁河等，流域形狀系數(shù)0.806。

該控制流域水文下墊面產(chǎn)流地類型共有7種，分別為變質(zhì)巖灌叢山地18.8km2，占集水面積的1.9%;變質(zhì)巖森林山地56.3km2，占集水面積的5.7%;黃土丘陵階地282.3km2，占集水面積的28.6%;灰?guī)r灌叢山地13.8km2，占集水面積的1.4%;灰?guī)r森林山地156.9km2，占集水面積的15.9%;砂頁巖灌叢山地356.3km2，占集水面積的36.1%;砂頁巖森林山地102.6km2，占集水面積的10.4%。

東莊水文站控制流域內(nèi)現(xiàn)有北節(jié)底、金堆、朱家窯和三合4處河道水位站，均為山洪站。流域內(nèi)有25個(gè)雨量站，其中基本雨量站8個(gè)，中小河流雨量站5個(gè)，山洪雨量站12個(gè)。

2暴雨洪水特性

東莊水文站控制流域內(nèi)降水受地形的影響很大，流域內(nèi)平川少，山區(qū)多，7月～9月降雨量約占全年降雨量的60%左右，且多為暴雨。洪水主要由連續(xù)或短時(shí)強(qiáng)降雨誘發(fā)，且多為暴雨所致，多發(fā)生在7～8月份的主汛期。古縣境內(nèi)山洪災(zāi)害發(fā)生頻次較高，是本縣的主要自然災(zāi)害之一。歷史上及建國后發(fā)生過多次大的山洪災(zāi)害。

光緒二十一年（1895）秋陰雨，倒房無數(shù);光緒二十三年，農(nóng)歷五月大雨，澗水漲，傷人畜很多;民國二十二年（1933）農(nóng)歷六月大雨連綿，河洪為災(zāi)，沖沒欄石橋牌坊一座，洪水沖走（姓黃夫婦）二人;1922年縣城洪峰2350m3/s;1968年大雨，舊城南門外農(nóng)田盡毀，城內(nèi)段姓房屋塌，壓死女孩2人;1975年北平鎮(zhèn)黃家窯村藺河流域局部暴雨，沖毀道路約80米，淹沒農(nóng)田40余畝;1988年7月，連日降大雨，境內(nèi)公路遭到嚴(yán)重破壞;2003年4月17日，古陽鎮(zhèn)江水平流域局部暴雨，江水平煤礦進(jìn)水，損失慘重。2009年7月19日，全縣境內(nèi)普降大到暴雨，降雨量109.1mm，洪峰流量100m3/s，淹沒農(nóng)田130畝，房屋受損27間，橋梁受災(zāi)5座。2010年8月9日凌晨2：00時(shí)～3：00時(shí)，洪安澗河岳陽鎮(zhèn)城關(guān)到下冶局部突降暴雨，42戶150余口人家中進(jìn)水，沖毀農(nóng)田200余畝，損失慘重。

3預(yù)報(bào)系統(tǒng)編制方法

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的編制是根據(jù)已經(jīng)發(fā)生或者可能發(fā)生的降雨、上游來水、土壤墑情等水文信息，采用適合該流域的模型或方法，對(duì)未來的水文要素進(jìn)行預(yù)報(bào)，以便盡早采取可能措施，減少洪水災(zāi)害的一項(xiàng)工作。東莊水文站控制流域地處半濕潤半干旱地區(qū)，流域分南、北兩支，流域洪水多為暴雨引發(fā)，但暴雨的分布不均勻，不同地區(qū)降水強(qiáng)度相差很大。為了充分考慮暴雨分布不均以及不同地區(qū)產(chǎn)流條件的不同，該系統(tǒng)的建立采用分單元進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，節(jié)點(diǎn)之間流量進(jìn)行河道演算，進(jìn)而匯聚成東莊水文站出流過程的方法，使用東莊出口斷面的洪水過程進(jìn)行參數(shù)的率定。產(chǎn)流計(jì)算采用適用于半濕潤半干旱地區(qū)的雙超模型，由于各單元無實(shí)測(cè)水文資料，匯流計(jì)算采用綜合瞬時(shí)單位線，河道演算采用SWAI 1模型。

在收集量算東莊流域土地利用、產(chǎn)匯流地類、河長比降及沿程斷面特征的基礎(chǔ)上，采用《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》計(jì)算雙超模型、綜合瞬時(shí)單位線、SWAI 1模型參數(shù)初值。通過實(shí)地調(diào)查走訪流域植被、河道平整情況等，對(duì)參數(shù)初值進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

3.1資料情況

該預(yù)報(bào)系統(tǒng)所選用的資料，嚴(yán)格遵守《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T22482-2008）的要求，對(duì)選用的水文站點(diǎn)及雨量站點(diǎn)資料均經(jīng)過審核，具有較高的可靠性。

該次收集的資料如下：

（1）東莊水文站建站至今的洪水要素摘錄表，逐日平均流量表;

（2）永樂、高城、北平、金堆、凌云、多溝、下冶、東莊8處基本雨量站建站至今的降水量日表、降水量摘錄表;

（3）中小河流雨量站、山洪雨量站建站的雨量資料;

（4）由于東莊水文站不觀測(cè)蒸發(fā)，收集了趙城水文站建站至今的蒸發(fā)觀測(cè)資料;

（4）東莊水文站所在流域1∶5萬地形圖，高精度DEM數(shù)據(jù);

（5）東莊水文站所在流域小流域劃分及土地利用成果。

3.2單元?jiǎng)澐?、?jié)點(diǎn)選定

結(jié)合東莊流域1∶5萬地形圖、小流域劃分成果、高精度DEM數(shù)據(jù)，綜合考慮小流域特性相近、水系完整、暴雨特性差異不大的區(qū)域劃分單元。充分運(yùn)用流域內(nèi)現(xiàn)有的水文雨量站網(wǎng)資料，通過水文比擬、暴雨面積加權(quán)等方法，盡可能地使每個(gè)單元都有代表性雨量資料。在北節(jié)底、金堆、朱家窯和三合4處河道水位站均劃分了單元，方便結(jié)合水位站洪水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)單元參數(shù)的進(jìn)行修正;對(duì)于部分沒有雨量站的單元選擇臨近有代表性的雨量站進(jìn)行借用，該系統(tǒng)在東莊以上流域共劃分17個(gè)單元。

為了反映流域的連通性，分析流域洪水來源，更好地方防洪減災(zāi)提供服務(wù)，在單元?jiǎng)澐值幕A(chǔ)上，進(jìn)一步劃分出14個(gè)結(jié)點(diǎn)，用以在預(yù)報(bào)系統(tǒng)編制中顯示各結(jié)點(diǎn)的洪水信息。各單元?jiǎng)澐智闆r見表1，圖1;各單元地類情況見表2。

3.3預(yù)報(bào)系統(tǒng)說明

東莊水文站洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)中共有17個(gè)單元和14個(gè)節(jié)點(diǎn)，第1單元產(chǎn)匯流結(jié)果作為1001節(jié)點(diǎn)的流量過程;第2單元的產(chǎn)匯流結(jié)果作為1002節(jié)點(diǎn)的流量過程;1001節(jié)點(diǎn)流量通過河道演算與第3單元的產(chǎn)匯流結(jié)果疊加作為1003節(jié)點(diǎn)的流量過程;1002節(jié)點(diǎn)的流量通過河道演算與第4單元的產(chǎn)匯流結(jié)果疊加結(jié)果作為1004節(jié)點(diǎn)的流量過程;1003節(jié)點(diǎn)流量通過河道演算和1004節(jié)點(diǎn)流量疊加作為1005節(jié)點(diǎn)的流量過程;1005節(jié)點(diǎn)流量通過河道演算、第5單元的產(chǎn)匯流結(jié)果與第6單元的產(chǎn)匯流結(jié)果疊加作為1006節(jié)點(diǎn)的流量過程;1006節(jié)點(diǎn)流量通過河道演算與第7單元的產(chǎn)匯流結(jié)果疊加作為1007節(jié)點(diǎn)的流量過程;1007節(jié)點(diǎn)流量通過河道演算、第16單元的產(chǎn)匯流結(jié)果與第17單元的產(chǎn)匯流結(jié)果疊加1014節(jié)點(diǎn)的流量過程;第8單元的產(chǎn)匯流結(jié)果和第9單元的產(chǎn)匯流結(jié)果疊加作為1008節(jié)點(diǎn)流量過程;1008節(jié)點(diǎn)流量與第10單元的產(chǎn)匯流結(jié)果疊加作為1009節(jié)點(diǎn)的流量;第12單元的產(chǎn)匯流結(jié)果作為1010節(jié)點(diǎn)的流量過程。1010節(jié)點(diǎn)的流量通過河道演算與第13單元的產(chǎn)匯流結(jié)果疊加作為1011節(jié)點(diǎn)的流量過程。1009節(jié)點(diǎn)流量通過河道演算、1011節(jié)點(diǎn)流量與第11單元的產(chǎn)匯流結(jié)果疊加作為1012節(jié)點(diǎn)的流量過程。1012節(jié)點(diǎn)流量通過河道演算與第14單元的產(chǎn)匯流結(jié)果疊加作為1013節(jié)點(diǎn)的流量過程。1014節(jié)點(diǎn)流量通過河道演算、1013節(jié)點(diǎn)流量與第15單元的產(chǎn)匯流結(jié)果疊加作為出口斷面的流量過程，即為東莊水文站流量過程。系統(tǒng)流程圖見圖2。

4參數(shù)率定與精度評(píng)定

預(yù)報(bào)系統(tǒng)的參數(shù)率定通過實(shí)地調(diào)查，根據(jù)各個(gè)參數(shù)的物理意義與取值范圍，不斷修正參數(shù)，模擬東莊出口斷面的出流過程，與東莊出口斷面的實(shí)測(cè)洪水過程相比較，直至二者較為接近，則參數(shù)為選用值。由于近年來煤礦開發(fā)、小流域治理、河道整治、城鎮(zhèn)化建設(shè)等人類活動(dòng)的影響，東莊所在流域下墊面發(fā)生了較大改變，早期的暴雨洪水資料很難較好的代表現(xiàn)狀流域特性。同時(shí)，由于早期雨量資料觀測(cè)段制較長，用于率定參數(shù)誤差較大。

根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T22482-2008）的規(guī)定，洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)中要有足夠代表性的場(chǎng)次洪水資料，濕潤地區(qū)不少于50次，干旱地區(qū)不少于25次，當(dāng)資料不足時(shí)，應(yīng)使用所有的洪水資料。該次數(shù)據(jù)選取2000年之后的所有的洪水資料進(jìn)行了參數(shù)的率定與精度評(píng)定。

4.1參數(shù)率定

以各模型參數(shù)的計(jì)算值作為初值，經(jīng)過對(duì)各組參數(shù)反復(fù)調(diào)試，對(duì)比模擬洪水過程與實(shí)測(cè)過程，選取了一組較為適合各場(chǎng)次洪水預(yù)報(bào)的產(chǎn)匯流參數(shù)，作為東莊以上流域預(yù)報(bào)參數(shù)。由于洪水場(chǎng)次較少，需要在今后的實(shí)踐中不斷地修訂。各場(chǎng)次洪水模擬對(duì)照?qǐng)D見圖3～圖6，產(chǎn)匯流參數(shù)見表3，河道演算參數(shù)見表4。

4.2精度評(píng)定

預(yù)報(bào)系統(tǒng)精度評(píng)定按《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T22482-2008）進(jìn)行。利用2000年之后的4場(chǎng)洪水進(jìn)行對(duì)洪峰、洪量及峰現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行了精度評(píng)定。其中，洪峰許可誤差為實(shí)測(cè)洪峰的20%;洪量以實(shí)測(cè)值的20%作為許可誤差;峰現(xiàn)時(shí)間以預(yù)報(bào)時(shí)間至實(shí)測(cè)洪峰出現(xiàn)時(shí)間的時(shí)距的30%作為許可誤差，當(dāng)許可誤差小于3h，以3hrs作為許可誤差。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，東莊水文站洪峰合格率為100%，洪量合格率為50%，峰現(xiàn)時(shí)間合格率為100%。東莊水文站洪峰、洪量精度評(píng)定見表5，峰現(xiàn)時(shí)間精度評(píng)定見表6。

由于東莊水文站可用于精度評(píng)定的洪水場(chǎng)次較少，率定的參數(shù)合理性需在以后不斷的驗(yàn)證。待用于精度評(píng)定的場(chǎng)次洪水較多，統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方案的合格率及確定性系數(shù)，達(dá)到《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》規(guī)定的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，方可進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)。

5結(jié)語

5.1東莊水文站控制流域地處半濕潤半干旱地區(qū)，流域分南、北兩支，暴雨的分布不均勻，不同地區(qū)降水強(qiáng)度相差很大。采用分單元進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，節(jié)點(diǎn)之間流量進(jìn)行河道演算，進(jìn)而匯聚成東莊水文站出流過程的方法，充分考慮暴雨分布不均以及不同地區(qū)產(chǎn)流條件的不同，較為適合東莊水文站流域。

5.2由于可用于洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)參數(shù)率定及精度評(píng)定的場(chǎng)次洪水較少，系統(tǒng)參數(shù)的合理性需要今后不斷的驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：（略）

Application of double hypermodel in flood prediction system of Dongzhuang Hydrological Station

Fei Xiaoxuan

（Linfen Hydrology and Water Resources Survey Station， Linfen 041000， Shanxi China）

Abstract：The watershed controlled by Dongzhuang Hydrological Station in Shanxi Province is located in the semi-humid and semi-arid region. The watershed is divided into south and north branches. Most of the floods in the watershed are caused by heavy rain， but the distribution of heavy rain is not uniform， and the precipitation intensity varies greatly in different regions.In this paper， the rainstorm and flood data of dongzhuang hydrological station are collected， and the flood prediction system of the control basin is preliminarily established by combining the prediction method of divided unit node and double supermodel， and the accuracy of flood peak， flood volume and peak time is evaluated by the floods in recent years， and good results are obtained.

Keywords：semi-arid;Half wet;Unit;Node;Double super model