中小河流洪水预警预报方法与应用

梁犁丽,马 岚,胡宇丰,李 匡

(中国水利水电科学研究院北京中水科水电科技开发有限公司,北京 100038)

中小河流洪水预警预报方法与应用

梁犁丽,马 岚,胡宇丰,李 匡

(中国水利水电科学研究院北京中水科水电科技开发有限公司,北京 100038)

中小河流预警预报模型方法是中小河流监测预警预报体系建设中的重要内容,本文将其分为集总式水文模型、分布式水文模型、其他经验方法3种类型进行探讨后指出,集总式水文模型和其他经验方法在目前中小河流预警预报实时作业中仍然占有重要位置,分布式水文模型具有应用潜力,但目前还没有大规模用于洪水预报业务;而后结合典型实例分析了中小河流预警预报方法应用与方案编制过程中资料收集、预报模型选择、参数率定、精度评定等关键环节的主要内容,最后提出中小河流预警预报方案要根据流域能够获得的雨量、水文、下垫面、洪水特性、相似流域预报方案等资料情况综合考虑选择具体方法。

预警预报;中小河流;缺资料流域;集总式水文模型;分布式水文模型;经验方法

中小河流洪水预警预报方法和应用研究是中小河流监测预报预警体系建设的重要内容和组成部分,中小河流流域内雨量、水文站点资料相对缺乏,在洪水预报中,一方面在现有方法和技术水平下对中小河流洪水预警预报的精度要求不太高;另一方面中小河流洪水预警预报方案必不可少,方案中预报模型方法要有针对性和适用性。本文在探讨中小河流预警预报技术方法及其特点的基础上,通过典型实例分析了其预警预报方案编制的主要环节、内容和需要注意的问题。

1 中小河流洪水预警预报技术方法及其特点

预报模型与方法是水文预报系统的核心,可用于中小河流洪水预警预报的模型方法主要有新安江模型、水箱模型、API模型、综合单位线法、地貌单位线法、河道汇流模型、参数移植法、雨量预警法、SHE模型、SWAT模型、TOPMODEL、TOPKAPI模型,以及其他缺资料地区的水文预报方法(PUB)等。这些模型方法按照反映流域空间变化的能力可大致分为集总式水文模型、分布式水文模型和其他经验预报方法。

1.1 集总式水文模型

集总式水文模型(Lumped Hydrologic Model)是将全流域当作一个整体,对流域参数(变量)进行均化处理,对流域表面任一点的水文过程用简单的基于水文规律的方程加以描述,其本质上只能反映有关因素对径流形成过程的平均作用[1]。常用的集总式水文模型有:Crawford和Linsley(1966)提出的斯坦福模型,美国天气局Sittnr(1969)提出的API模型,日本菅原正巳(1974)提出的Tank模型,Robert等(1979)提出的Sacramento模型,爱尔兰国立大学工程水文系研制的SMAR模型,以及最初由丹麦理工大学动力工程学院的 Nielsen和 Hansen提出(1973)、水力研究所在实践中逐渐完善的NAM降雨径流模型,国内原华东水利学院赵人俊教授等(1980)提出的新安江模型等。

这些集总式水文预报模型大部分是概念性的降雨径流模型,将流域水文过程或雨洪转化过程概化为几个关键环节:产流、坡面汇流、河道汇流、下渗、蒸发等,如新安江模型和Tank模型,相应的模型参数也可分为产流、汇流、蒸散发参数等。集总式水文预报模型不考虑流域水文现象或要素的空间变异性,模型参数是流域概化值,没有实际的物理意义,通常不能实际测量,需要通过率定才能确定;模型输入一般有降雨、蒸发(或气温)、流量等观测资料。

现有的集总式水文预报模型的主要优点有:1)参数少,率定相对容易;2)模型简单,预报计算速度快;3)模型参数经过验证后,预报精度高。由于集总式模型的这些优点,在中短期水文预报中仍然占有重要位置,如新安江模型依然是我国湿润和半湿润区大江大河流域洪水预报的主要工具之一。但集总式水文预报模型也有其不足[1]:1)参数从历史数据资料中率定出来,参数间的不独立性和不确定性问题无法解决;2)只适合于有资料的流域,且资料内插可以,若用于外延,预报误差较大;3)无法描述水文物理过程的空间变化信息;4)无法模拟变化环境中的陆面过程,在有水库调节或人工干扰强度大的流域需要考虑如何分块的问题,或重新率定参数;5)空间尺度无法与气候模型耦合,用于全球变化研究有困难。

1.2 分布式水文模型

分布式水文模型是通过水循环的动力学机制来描述和模拟流域水文过程的数学模型,它一般根据流域下垫面(DEM、土地利用和土壤分布等)的差异性和降水的不均匀性等把流域分为若干个子流域或计算单元进行产汇流计算和河道演算。它与集总式水文预报模型的本质区别是根据下垫面的异质性将水文参数进行离散化处理,其参数具有明确的物理意义[2],大部分可测量得到,可以更加准确的描述流域的空间分异性,反映流域内真实的水文过程。其水文过程划分也更为详细,一般分为降水、融雪、蒸发、下渗、地面径流、壤中流、地下径流等多个模块,各模块用经验的或数学物理方程进行描述,计算单元(子流域)间有水力联系。

国内外的分布式水文模型也不下几十种,第一个具有代表性的分布式水文物理模型是SHE模型[3]、此后,国内外陆续开发和发展了一批水文物理模型用于流域水文预报,如1973年由美国农业部农业研究所(USDA-ARS)组织相关人员开发并逐步改进的半分布式SWAT模型[4]、瑞典国家水文气象局(SMHI)于20世纪70年代开发的半分布式HBV模型,1979年由Beven和Kirkby提出的基于地形的半分布式TOPMODEL[5,6]、由Todini在2001年提出TOPKAPI模型,以及THALES模型、美国陆军工程师团水文工程中心研发的HEC-HMS模型等;国内有正在由国家自然基金委重点资助开发的分布式新安江模型,李兰于2001年左右提出并逐步改进的李兰模型(LL-Ⅰ、LL-Ⅱ、LL-Ⅲ)、贾仰文由2001年正式提出的网格分布式流域水循环模型WEP模型等[7,8]。

分布式水文模型的主要优点有:1)具有分布式参数和输入输出数据,能够充分利用雷达、卫星等遥感资料,耦合高分辨率数值天气预报模式,在水文预报中具有应用潜力;2)对水文过程描述更细致、更复杂,并提供水文过程及其要素的时空分布;3)模型具有一定的物理机制,能用于缺资料地区的水文预报。但其缺点也不容忽视:1)建模困难,需要大量数据或相关参数;2)结构复杂,参数数量多,率定和验证工作量大;3)需要在计算速度和模拟精度间权衡;4)模型理论方法的完善与实用效果并不完全一致,具有固有的不确定性等影响因素[9],模拟精度受影响。由于这些缺点,很难保证分布式水文预报模型对大、中、小各种洪水都有高精度的模拟预报结果,现阶段还不能大规模应用于实时洪水预报作业。

1.3 其他经验性水文预警预报方法

可用于中小河流洪水预警预报的方法还有综合单位线法、地貌单位线法、相关图法、参数移植法、马斯京根汇流演算法、水力学模型法、趋势法、雨量预警法等。综合单位线和地貌单位线法是通过建立单位线要素与流域地理特征值之间的关系推求单位线,利用单位线推求洪水汇流过程的方法;相关图法利用事先绘制的降雨径流,查出已知降雨对应的径流大小,该方法直观、简单易用,但前期绘制相关图所需资料多、工作量大;参数移植法指先在有资料地区进行模型参数率定,在参数达到较好效果后,将模型参数与流域的面积、河长及坡度、土地覆盖等流域属性建立相关关系,然后利用无资料地区的流域属性值反推参数,代入模型进行建模;分解法和参数移植法类似,分解法是根据下游预报断面的模型参数,利用水文变量信息本身与流域下垫面特性之间的关系,制定无资料流域的洪水预报方案;马斯京根汇流演算法和水力学模型法主要用于河道汇流演算;趋势法是根据专家经验,结合未来降雨、上下游来水和历史洪水,人工分析得出预报结果;雨量预警法是根据雨量站降水量划分等级进行预警,并不预报洪水过程。

这些经验预警预报方法是最早应用于洪水预报的传统方法,具有简明易用、效果较好的特点,在某些地区的预报精度甚至比复杂的产汇流模型精度更高,因此在洪水预报实践中,与其他水文预报模型一起为洪水预报提供了有力支持,特别是在流域面积小或缺资料地区的中小河流洪水预警预报作业中,仍然发挥了重要作用。

2 中小河流预警预报方法应用典型实例

中小河流洪水预警预报方法应用的过程也是其预警预报方案形成的过程,按照流域水文站点布设情况,可将中小河流分为中小河流新建站、无站中小河流、现有水位站、现有水文站、平原河网区水文(位)站、水库站中小河流等。预报方案的编制过程包括基础资料的收集和处理、流域汇流时间的确定、预报方案的模型选择和设计、模型参数的率定及预报方案的评定等内容。浙江省文成县境内泗溪流域内有水库站预报断面、有新建站预报断面,流域面积小,汇流时间短,属于缺资料流域,故选泗溪流域作为中小河流洪水预警预报方法应用的典型案例。

2.1 资料收集整理

泗溪流域属于飞云江水系一级支流,发源于文成县金竹垟,东南流入百丈际水库,最后汇入珊溪水利枢纽工程配套的供水水库赵山渡水库。河流长42.4 km,自然落差707 m,平均坡降17.7‰。百丈际水库水位站为泗溪流域重要的水库控制站,测站以上集水面积约100 km2;泗溪水位站为2010年的新建站,距离文成县城约2.5 km,泗溪站以上集水面积225 km2,泗溪水系示意图见图1。

图1 泗溪流域水系图

2.2 预警预报模型方法选择

百丈际水库预报断面有1994年以来的若干场入库流量资料,适合选用新安江水文模型、Tank模型、TOPKAPI模型等编制预报方案。泗溪预报断面无流量资料,预报断面在百丈际水库预报断面以下,故仅能采用参数移植法、地貌单位线法和雨量预警法等。本文采用三水源新安江模型建立百丈际水库断面的预报方法,泗溪预报断面移用百丈际水库断面的模型参数进行降雨洪水过程模拟。根据流域特性、流域水系、测站分布等,将两个预报断面进行分块分单元建立新安江模型预报方案,预报方案配置见表1。

表1 泗溪流域断面预报方案配置表

2.3 模型参数率定

百丈际水库站有若干场典型洪水过程,可用于新安江模型参数率定和验证,以百丈际水库站以上流域验证好的参数移用到百丈际水库以下～泗溪水位站以上区间流域进行产汇流计算,百丈际水库的出库流量作为区间入流,采用马斯京根河道汇流演算法,叠加区间产汇流后推算到泗溪水位站预报断面。经过模拟与实测径流过程对比、参数调整、再对比等过程,得到百丈际水库断面1 h计算时段下的新安江模型参数,如表2所示。

表2 百丈际水库断面1h时段预报方案新安江模型参数

2.4 方案精度评定与修订

根据规范要求和《浙江省水文情报预报规范(SL250—2000)实施细则(试行)》的规定,洪水预报精度评定项目包括洪峰流量(水位)、洪量(径流量)、洪峰出现时间和洪水过程。百丈际水库预报断面率定期和验证期5场洪水新安江模型预报方案精度统计见表3。

表3 百丈际水库断面1 h时段预报方案率定期合格率统计

由表3中可以看出,以实测洪峰流量和实测洪量的20%、预报根据时间至实测洪峰出现时间之间时距的30%作为许可误差,百丈际水库预报断面参数率定期和验证期预报方案合格率均为100%,预报方案精度属于甲级。移用百丈际水库块区的模型参数,入流河道马斯京根流量比重x与百丈际水库块区相同,入流过程的河道汇流时间取1 h,泗溪断面预报方案新安江模型参数见表4。

表4 泗溪断面1 h时段预报方案新安江模型参数

3 结论及建议

本文立足于中小河流洪水预警预报技术方法,首先从集总式水文模型、分布式水文模型和其他经验方法分别进行了探讨,结果认为:集总式水文预报模型和经验预报方法结构简单、参数少、方便易用,在中小河流预警预报业务中仍然占有重要位置;分布式水文模型具有应用潜力,但目前还不能大规模用于洪水预报业务;其次结合典型实例分析了中小河流预警预报方案编制的主要内容,说明了预警预报方法的选择和应用。

中小河流洪水预警预报方法较多,需要根据流域能够获得的雨量、水文、下垫面、洪水特性、相似流域预报方案等资料情况综合考虑选择具体方法建立预警预报方案,方案构建时还应考虑上游水利工程调度对洪水预报的影响。

[1]胡彩虹,王金星.流域产汇流模型及水文模型[M].郑州:黄河水利出版社,2010:35.

[2]梁犁丽,冶运涛,龚家国,等.分布式水文模型在短期水文预报中应用的可行性探讨[J].中国水利水电科学研究院学报, 2013,11(3):210-215.

[3]贾仰文,王 浩.分布式流域水文模型的原理与实践[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[4]Neitsch SL,Arnold JG,Kiniry JR,et al.Soil and Water Assessment Tool Theoretical Documentation Version 2009[R], 2011.

[4]Beven K J,Kirkby M J.A physically based variable contributing area model ofbasin hydrology[J].Hydrol Science Bulletin, 1979,24(1):43-69.

[5]Beven K J,Lamb R,Quinn P F,et al.Computer Models of Watershed Hydrology[C]//Colorado:Water Resources Publiccations,1995:627-628.

[6]Jia Yangwen,Ni Guangheng,Yoshihisa Kawahara,et al.Development of WEP Model and Its Application to an Urban Watershed[J].Hydrological Processes,2001,15:2175-2194.

[7]梁钟元,贾仰文,李开杰,等.分布式水文模型在洪水预报中的应用研究综述[J].人民黄河,2007,29(2):29-32.

[8]徐 华,薛恒新,钱鹏江.基于进化学习的视觉模糊系统模型在水文预报中的应用 [J].水利学报,2011,42(3): 290-295.

P338+.9

A

1672-5387(2017)07-0088-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.027

2017-04-27

梁犁丽(1982-),女,高级工程师,从事水文预报与水库调度研究工作。