填洼损失量计算在海河流域洪水预报中的应用

2014-02-23任国源

水利规划与设计 2014年9期

关键词：泰森损失量下垫面

任国源

（中国水利水电科学研究院北京 100038）

填洼损失量计算在海河流域洪水预报中的应用

任国源

（中国水利水电科学研究院北京 100038）

本文对葫芦岛市南票区节水增粮工程项目的区域内地质与水文地质条件进行了详细分析与研究，为项目的实施提供了可靠的地质和水文地质的地下水等条件分析依据，为同类项目建设起到了参考借鉴作用。

节水增粮水文地质地层地下水分析

传统水文模型大部分以集总式降水作为输入，该水文模型已被国内广大水文预报工作者接受，并在全国范围内应用广泛，积累了丰富的经验并具有一定的预报精度，这些模型在防汛、抗旱工作中仍在发挥重要作用，这也是该模式存在的重要原因之一。由于此类模型对下垫面“刻画”不够细致，所以下垫面的变化对模型的适用性提出了挑战，影响了水文预报精度，这也是近些年分布式水文模型在我国许多地区被应用和推广的原因之一。

1 问题的提出

目前海河流域预报方案汇编中共有88个节点的预报方案，仅有4套改进的新安江预报方案，其余均为经验方案，河道汇流基本采用经验单位线和M法,这些方案在构建时对下垫面的地形、地貌特征，流域洼地、地面沉降等重要信息无法细致考虑，使这些预报方案存在对下垫面信息的处理上存在一定的缺陷，而且方案全部由历史大洪水率定，但海河流域近20年没有发生较大洪水，这期间由于经济社会的发展，受人类活动影响，流域的下垫面情况变化很大，致使流域产、汇流规律发生了改变。而目前常规的经验预报方法和常规的模型方法都需要场次洪水进行产汇流参数率定，没有足够的场次洪水就无法修订方案，所以目前应用的方案无法真实反映变化的下垫面的情况，造成精度较低，大部分预报只能作为参考。如何利用现有的预报方案，提高作业预报时的精度是预报人员关心的问题。

2 技术思路

除了近年兴起的纯分布式模型，如SWAT模型，TOPMODEL模型等考虑添洼影响外，在传统水文预报模型中，一般都没有直接考虑降水初期的填洼水量，把降水初期的添洼影响隐含在其他参数中，如新安江模型就把添洼影响隐含在初始土含中。这种处理是建立在添洼影响较小而且下垫面变化不大的基础上，对于影响和变化较大的区域，这样处理就会对预报结果造成一定影响，容易出现预报的洪水过程起涨阶段较实测洪水大，而且预报的洪水总量误差也及较大的现象。

本文在不改变现有水文预报模型及其参数的基础上，参考分布式模型处理填挖的思路，利用DEM资料，在泰森多边形内分析流域洼地、计算填洼量。传统水文模型多采用泰森多边形法将流域分为若干个雨量站代表面积，且假设泰森多边形降雨分布是均匀的，雨量值为该泰森多边形内雨量站点的实测值。扣除填洼量，得到该泰森多边形代表面积的雨量修正值，以该值作为传

统水文模型的降水输入，以便考虑了下垫面变化的对洪水预报成果的影响。

2.1 基于DEM的雨量站代表面积确定

由于GIS等许多软件，可以自动实现泰森多边形的划分，所以在目前应用的模型中大多以泰森多边形法确定雨量站的代表区域。泰森多边形方法是荷兰气候学家A.H.Thiessen提出的一种根据离散分布的气象站的降雨量来计算平均降雨量的方法。泰森多边形，具有三个基本特征：

（1）泰森多边形内的点到相应的离散点的距离最近。

（2）每个泰森多边形内仅有一个离散点数据。

（3）泰森多边形边上的点到其他两边的离散点的距离相等。

根据确定的泰森多边形边界，基于DEM资料，则可分析该泰森多边形内的下垫面情况，为填洼处理确定了范围和依据。

2.2 填洼损失的计算

文中的填洼特指由于真实洼地的存在，而使得降水不能直接沿水流方向汇流，而被蓄积在洼地中所损失的水量。在填洼损失的水量扣除后，将剩余的降水量值作为现有水文预报模型的降水量输入。

文中提出两种计算填洼损失的方法。方法一是不考虑洼地中的水流方向，只填满洼地栅格，剩余的水量即作为现有水文预报模型的降水量输入；方法二是考虑洼地中的水流方向，至洼地区域全部被填满后，剩余的水量才作为现有水文预报模型的降水量输入。

不考虑洼地区域中的水流方向。如果不考虑洼地区域的水流方向，则在降水发生时，每个栅格的降水量达到此洼地深度后，填洼过程结束。

考虑洼地区域中的水流方向。如果考虑洼地区域的水流方向，则在降水发生时，洼地中的各栅格降水量达到此洼地深度后，再发生降水时，栅格中多余的水量将沿水流方向汇到其它洼地栅格。当整个洼地区域全部达到蓄满状态后，填洼过程结束。

这两种方法的不同在于对降水初期的降水过程有影响，而对于总填洼量没有影响。

图1是一个不考虑洼地内水流方向的降水填洼损失计算示例。在例中假设每个栅格各时段的降水量均为2。（a）图显示的是各栅格的洼地深度；（b）图显示的是第一个时段的降水计算填洼损失量后的降水量值；（c）图显示的是第二个时段的降水计算填洼损失量后的降水量值。

图2是一个考虑洼地内水流方向的降水填洼损失计算示例。在例中假设每个栅格各时段的降水量均为2。（a）图显示的是各栅格的洼地深度；（b）图显示的是各栅格的水流方向；（c）图显示的是第一个时段的降水计算填洼损失量后的降水量值。

图1 不考虑洼地内水流方向的降水填洼损失计算

图2 考虑洼地内水流方向的降水填洼损失计算

由图1与图2比较可以看出，如果考虑洼地内水流方向，则降水的填洼过程较不考虑洼地内水流方向的快，而填洼总量不变。即填洼损失量主要和下垫面情况有关，和降水特点关系不大，每个泰森多边形内该值相对固定。

3 实例分析

本文以海河流域的潘家口水库以上预报区域进行研究，该区域面积9839km2。潘家口水库是引滦工程的源头，为天津、唐山两市的水源水库，也是滦河流域控制性防洪工程。

潘家口水库目前应用的洪水预报模型为新安江三水源模型，在率定参数时，流域分为五块，各块的产、汇流详见表1。

从表1可以看出，在率定参数时受资料和方法限制，下垫面无法细腻刻画，所以造成各子流域产流参数基本一致的情况。反映在预报成果上，表现为洪水起涨段精度较差，预报成果一般要大于实际过程。尤其对中、小洪水和久旱后的大洪水其水文预报精度影响更大。

表1 流域各块三水源新安江模型参数表

为了克服上述影响，根据预报方案泰森多边形的划分情况（见图3）和填洼量计算方法，计算各块填洼量，每个泰森多变形内的填洼损失量见表2。从表2可以看出，对于修建了大量拦蓄水工程的承德、宽城两个站控制的泰森多边形，其填洼损失量高达28mm和23mm，而下垫面变化相对较小的潘家口站控制的区域，其填洼损失量仅为5mm。

表2 流域各站控制的泰森多边形填洼损失量（单位：km2、mm）

图3 泰森多边形的划分情况

表3 潘家口水库预报结果表（单位：m3/s、108mm）

应用上述两种填洼计算方法，对比滦河潘家口水库2011年7.26洪水预报成果，如表3所示，从表中可以看出，考虑下垫面损失的预报成果较没有考虑下垫面损失的预报成果精度明显提高。由于三水源模型具有蓄满产流的性质，所以两种填洼损失量计算方法对洪量、洪峰影响不大，但对其起涨段的过程有一定影响，考虑水流方向的填洼在起涨段和实际情况拟合的较好。