中小河流預(yù)警預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)公式研究
——以大肚川鎮(zhèn)水文站為例

李禹君

(黑龍江省水文水資源中心牡丹江分中心，黑龍江 牡丹江 157000)

1 中小河流預(yù)警預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀

中小河流指流域面積在200-3000km2之間的河流，因?yàn)榱饔蛎娣e小，災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)，資料年限短，坡陡匯流快，預(yù)見(jiàn)期短，預(yù)報(bào)預(yù)警難度較大，因此中小河流洪水災(zāi)害已經(jīng)成為我國(guó)嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[1]。

盡管國(guó)內(nèi)外已經(jīng)逐步開(kāi)展中小河流預(yù)警預(yù)報(bào)的研究，但就目前而言，中小河流洪水特點(diǎn)的研究成果仍較少，缺乏有效的預(yù)報(bào)預(yù)警手段。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)于中小河流預(yù)警主要集中在中小河流洪水形成機(jī)理、洪水預(yù)報(bào)模型、缺資料中小河流水文模型參數(shù)確定等方面[2]。

常見(jiàn)的方法有臨界雨量的預(yù)警方法、基于降雨徑流的定量預(yù)警方法、基于上游控制站監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方法，文章根據(jù)降雨徑流的定量方法，以大肚川鎮(zhèn)水文站為例，將面平均雨量、降雨歷時(shí)作為輸入因素，提出快捷方便的預(yù)警預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)公式，以達(dá)到小流域快速準(zhǔn)確預(yù)警預(yù)報(bào)的效果。

2 大肚川鎮(zhèn)水文站基本情況及洪水情況

大肚川鎮(zhèn)水文站位于黑龍江省東寧市大肚川鎮(zhèn)大肚川村，地理坐標(biāo)E131°03′57.7"、N43°56′56.1"，該站始建于2016年6月，集水面積578km2，是佛爺溝河下游控制站，是中小河流專用站。防汛服務(wù)的主要對(duì)象是大肚川鎮(zhèn)，大肚川鎮(zhèn)地處東寧市南，距東寧市16km。

通過(guò)對(duì)大肚川鎮(zhèn)水文站2017—2019年洪水資料整理發(fā)現(xiàn)，其峰現(xiàn)時(shí)間多在6h以內(nèi)，水位變幅在0.5-2.0m之間，流量變幅在40-220m3/s之間，受面平均雨量與降雨歷時(shí)影響較大，大肚川鎮(zhèn)水文站洪水場(chǎng)次情況表，見(jiàn)表1。

表1 大肚川鎮(zhèn)洪水場(chǎng)次情況表

3 經(jīng)驗(yàn)公式的提出與使用

陳凱在《原區(qū)中小河流洪峰流量計(jì)算方法研究》中，提到了綜合單位線法、推理公式法、洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式法三種方法[3]。其中洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式法指通過(guò)實(shí)測(cè)洪水資料進(jìn)行歸納總結(jié)，直接反映洪峰流量與影響因素之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并選取了區(qū)域特征參數(shù)、流域面積等因素作為輸入?yún)?shù)。最直接影響洪峰流量主要的因素有面平均降雨量、降雨歷時(shí)兩個(gè)因素。其中面平均降雨量與場(chǎng)次洪水的流量漲幅成正比例關(guān)系，降雨歷時(shí)與場(chǎng)次洪水的流量漲幅成反向關(guān)系，非反比例關(guān)系。因此根據(jù)上述關(guān)系擬定其數(shù)學(xué)表達(dá)式及意義如下：

(1)

式中：△Q為流量變幅，m3/s；P為面平均降雨量，mm；T為降雨歷時(shí)，h；a為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；b為降雨歷時(shí)敏感度削弱系數(shù)；c為降雨歷時(shí)權(quán)重系數(shù)。

通過(guò)遺傳算法迭代率定分析計(jì)算，檢驗(yàn)結(jié)果列于大肚川鎮(zhèn)站擬合度檢驗(yàn)和系數(shù)表中。由表2可知，復(fù)相關(guān)系數(shù)R為0.956，確定性系數(shù)R2為0.914，說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)公式代表性較好；經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a為0.246、降雨歷時(shí)敏感度削弱系數(shù)b為20.77、降雨歷時(shí)權(quán)重系數(shù)c為83.22，得出大肚川鎮(zhèn)站流量漲幅方程式為：

表2 大肚川鎮(zhèn)站擬合度檢驗(yàn)和系數(shù)表

(2)

根據(jù)已選取的大肚川鎮(zhèn)站2017-2019年5場(chǎng)次洪水要素?cái)?shù)據(jù)，把各場(chǎng)次洪水的面平均雨量和降雨歷時(shí)代經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出相應(yīng)場(chǎng)次洪水流量漲幅估算值，并繪制流量漲幅實(shí)測(cè)值與估算值擬合曲線圖，由圖1可見(jiàn)，實(shí)測(cè)值與估算值擬合度良好。

圖1 大肚川鎮(zhèn)站流量漲幅實(shí)測(cè)值與估算值擬合曲線圖

根據(jù)已經(jīng)率定的經(jīng)驗(yàn)公式，繪制大肚川鎮(zhèn)站流量漲幅統(tǒng)計(jì)表，根據(jù)本站底水和斷面基本情況等情況，得出結(jié)論流量漲幅達(dá)到190m3/s時(shí)，該站達(dá)到警戒水位，并在統(tǒng)計(jì)表中標(biāo)出，由于篇幅有限，僅展示5小時(shí)以內(nèi)統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表3。

表3 大肚川鎮(zhèn)站流量漲幅統(tǒng)計(jì)表

4 經(jīng)驗(yàn)公式優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)方向

在挑選的各場(chǎng)洪水中，經(jīng)驗(yàn)公式基本能滿足預(yù)警預(yù)報(bào)的精度要求。在防汛預(yù)警過(guò)程中，該公式僅需要兩個(gè)最直接明了的輸入因素，可以達(dá)到快速、準(zhǔn)確的預(yù)警預(yù)報(bào)效果，當(dāng)然也仍然存在某些方面的問(wèn)題。例如適用條件比較苛刻，適用于1000km2以內(nèi)流域面積的控制站；沒(méi)有考慮流域的調(diào)蓄作用，因此也無(wú)法適用于受水利工程影響嚴(yán)重的河流；只能推求最大洪峰流量，無(wú)法推求洪峰準(zhǔn)確時(shí)間。由于該站建站時(shí)間較短，資料嚴(yán)重不足，因此未考慮降雨前期土壤蓄水量大小，將全部場(chǎng)次洪水放在一起率定，若資料充足，可考慮根據(jù)土壤蓄水量進(jìn)行洪水進(jìn)行分類迭代率定分析計(jì)算，亦可將土壤蓄水量因素融入經(jīng)驗(yàn)公式中。