昌源河流域长期洪水预报方法研究

杨建平

(晋中市水文水资源勘测站，山西 晋中 030600)

0 引 言

加强洪水预报预测，重视防灾科学研究，在破坏性洪水灾害发生前进行有效的防御和减轻是流域洪水预防的有效措施之一。昌源河流域管理局从20世纪70年代开始就开展了长期洪水预报工作，并主要以大风日数、气温、日照时数、降水、开河日期等气象、水文单站要素为主要指标依据。此类指标虽然对流域丰枯水年具有一定的指示意义，但是很难从物理成因上明确确定出流域水文过程及主要影响因素；就预报方法而言，主要采用的是单相关图解法，图表及分析过程受人为因素影响较大，且预报结果存在多种可能，预报结果并不理想。文章主要以物理成因分析为主，从单站要素扩展到流域环流特征量，并与流域所在地区温度等级建立联系，填补流域长期洪水预报方面的不足。

1 流域概况

昌源河流域地形总趋势为东南高，西北低，由山区丘陵逐渐过渡到平川，为一级阶梯状地形。昌源河自东南向西北纵贯全县，形成西北部开阔的冲积平原。昌源河流域整体属蜿蜒曲折型河道，受主流影响河床经常处于摆布不定状态。涧村弧型闸以下河床属狭窄下切型，主槽在30m左右，滩面在100m以内，相对比较稳定，涧村以下河道属宽浅式，主槽在50m左右，滩面在100-150m，由于主流摆动，两岸属沙性土质，固堤困难，一遇洪水，沿河两岸局部地段常常出现险情，农田、村庄安全受到危胁。该流域降雨集中在7、8、9三月，突发性的暴雨时有发生，局部暴雨灾害也经常出现，历史上曾多次发生较大洪水。盘陀设站以来最大洪水发生于1977年7月6日，洪峰流量2050m3/s，相应水位795.61m，1966、1970年、1974年发生过3次>500m3/s的洪水。调查历史洪峰分别为1923年1085m3/s、1919年1017m3/s、1933年1014m3/s、1929年及1930年956m3/s。

2 洪水预报思路

昌源河流域长期洪水预报前应先进行洪水量级的划分，并主要进行定性预报，所以将流域洪水按照大水、中水偏大、中水、中水偏小、小水等级别划分，并以中水偏大至大水级别为长期预报的重点，从而试图解决流域大洪水定性预报问题。为分析预报因子相关系数以及预报因子对洪水特征贡献程度的大小，还应进行因子临界值的计算，以便明确预报因子和长期洪水之间的物理联系[1]。考虑到流域水文异常现象往往受到诸多因素的综合作用，所以进行流域长期洪水预报时仅考虑某个因素显然不合理，集多个预报因子于一体的预测指数能进行各因子对流域洪水贡献程度的测算，并能反映全部预报因子综合信息。在预测指数基础上所构建起的流域长期洪水预测模型可操作性强，且结果客观真实，不受人为约束。

某一特定时间在所选定样本中出现的概率即为相关概率，昌源河流域水文数据系列在40a以上，所以取α为0.05，置信水平95%，查相关系数表可得出R=0.312，如果通过模型分析得出的R>0.312，则表明两个变量具有显著的相关性。考虑到预报精度方面的要求，文章将检测两个变量相关性的标准R确定在|±0.35|以上[2]。

表1 洪水量级的划分

3 构建预报模型

3.1 确定因子临界值

文章所提出的流域长期洪水预报方法以流域测站中水偏大及大水年份为重点研究对象，所以因子临界值确定时主要考虑中等偏大及以上洪水，采用分析法进行因子临界值的确定，并逐个比较初选因子和预报对象。若比较结果显示某个初选因子和预报对象正相关，则该因子序列内某值为临界值，大于等于该临界值的数均对大水年有指导意义。相反，若比较结果显示某个初选因子和预报对象负相关，则意味着小于等于该临界值的数均对大水年有指导意义。该临界值数即为因子临界值。

因子临界值确定的基础上必须按照物理属性进行因子临界值的归集，将大气环流因子归为一类，海温因子归为另一类，并保证相同属性因子属于一个子集，并对子集内的各个因子采用0/1两档编码。符合临界值条件的因子标为1，不符合临界值的因子标为2，再将同类子集内的编码横向相加以得出该子集综合预报指数。

3.2 建立预报模型

以大气环流因子为纵坐标，以河温因子为横坐标，并将洪水等级符号描绘在坐标图中，绘制出昌源河流域盘陀水文站长期洪水综合指数预报模型(图1)后，根据坐标图内大气环流因子和河温因子在横纵坐标交叉位置点上所对应的洪水等级以及洪水点的集散程度区分大水区、中水偏大区、小水区。

图1 昌源河流域盘陀水文站长期洪水综合指数预报模型

对于流域长期洪水预报模型的检测通常采用两种方法，一是评定模型图中的大水点子，二是评定模型图中的全部点子。具体而言，进行大水点子评定时应将落入大水区域内的小水点子和落在小水区域内的大水点子一起评定，根据合格点数在总点数中的占比进行模型图合格率的评定。从所构建的昌源河流域盘陀水文站最大流量综合指数预报模型可以看出，大气环流因子预测点子★正好落在大水区域，应报盘陀水文站发生大洪水。

3.3 流域长期洪水预报结果

根据昌源河流域洪水量级划分标准，对流域盘陀水文站汛期最大流量进行等级划分，并对测站历年水文资料确定临界值后进行筛选，结果显示，测站最大流量与大气环流因子之间存在正相关关系，相关系数0.47，大气环流因子临界值在22以上，符合该因子临界值条件概率；测站最大流量与流域极涡强度指数负相关，相关系数-0.38，且该因子临界值在26及以下，符合临界值条件概率。盘陀水文站最大流量和流域河温场存在3个相关区域：①与上年4月E130-170°、N10°范围内存在5个测点正相关，相关系数均值0.41，且河温因子临界值为28.4℃；②与上年1月E155-165°、N35°范围内存在3个河温正相关测点，其相关系数均值0.45，河温因子临界值在16..5℃以上；③与上年3月E140-150°、N40°范围内存在5个河温正相关测点，相关系数均值0.43，河温因子临界值在27.0℃及以上。

分析表明，流域盘陀水文站发生2050m3/s以上洪峰流量与大气环流因子和河温因子综合作用密切相关，当上年7月流域极强涡度指数≤25时，测站最大流量发生2050m3/s以上大洪水的概率为24.2%；当上年4月流域河温均值≥25.4℃时，测站最大流量发生2050m3/s以上大洪水的概率为65.8%。所以，极强涡度指数因子对于流域发生特大洪水的指示作用良好[3]，具体情况详见图2昌源河流域盘陀水文站最大流量点聚图。

图2 昌源河流域盘陀水文站最大流量点聚图

从所构建的昌源河流域盘陀水文站最大流量综合指数预报模型可以看出，大气环流因子预测点子★也落在大水区域，表明文章所提出的洪水预报方案对于流域发生大洪水具有指示性意义，也说明文章所提出的测报方法能预报出昌源河流域可能发生的大洪水。

4 结 论

通过构建昌源河流域长期洪水预报模型，可使流域单站预报时间缩短4-5倍，预报时效及预报结果的准确性显著提升，防汛减灾社会效益十分显著。流域长期洪水预报以单站洪水预报为基础，所以单站洪水预报和流域预报模型参数率定需要大量的历史资料支撑。应用结果表明，文章所构建的昌源河流域盘陀水文站长期洪水预报方法具有较强的适用性，可为类似流域洪水测报提供借鉴参考。