提高洪水预报精度的途径和方法

2014-03-05赵焕平耿显浩河南省驻马店水文水资源勘测局

河南水利与南水北调 2014年7期

□赵焕平 □王恺 □耿显浩（河南省驻马店水文水资源勘测局）

提高洪水预报精度的途径和方法

□赵焕平 □王恺 □耿显浩（河南省驻马店水文水资源勘测局）

洪水预报的精度主要取决于较长系列的水文资料和流域内人类活动影响情况，但是实践证明流域内水文地质条件出现较大的差异，暴雨特性也是随时随地而变，预报方法及其参数对预报精度都有较大影响。要提高洪水预报的精度，首先要了解各种影响预报洪水精度的原因，并通过资料分析种种误差的定量方法，以此达到减少误差提高洪水预报精度的目的。

洪水预报；精度；途径；方法

0 引言

暴雨特性随时随地而变，预报方法及其参数对洪水预报精度都有较大影响，这些影响可以通过预报人员根据实际经验随时修正成果补充资料，很难定量，不但影响预报精度，还能造成计算机的处理困难。

1 洪河预报精度影响因素及处理办法

1.1 洪河预报精度主要取决于净雨预报精度

洪水预报一般分为两个阶段：一是雨水降落到地面以后，由于非饱和带作用，产生净雨过程；二是净雨经流域的坡面、河槽的调蓄而汇集到流域的出口断面，产生流量过程。前者是产流问题；后者是汇流问题。由于大部分的洪水预报，主要预报最高水位和最大流量，而最高水位和最大流量的误差，主要来源于产流计算和汇流计算。一般汇流计算用单位线或其他汇流曲线，如果单位线不变，则最高水位或最大流量的误差取决于净雨量及其分配。因此，洪水预报精度主要取决净雨预报精度，其误差大小与净雨量及其分配成正比。根据径流成因的积分公式：

从式（1）中可看出流量过程线为各时段单位线及其对应的净雨乘积之和，净雨R影响流量大小有两个因素；净雨总量及其分配，总量大小直接影响最大流量，对于较大流域，净雨分配对流量影响是与单位线共同作用的，因此单位线或其他汇流曲线的误差通过净雨分配的调节大大减少对流量过程的影响，特别是对于流域调节性能大的较大流域，各种流域分配曲线的误差影响很小。

1.2 用实测蒸发值来计算土壤蒸发

研究降雨径流的关系，实际上是分析流域下渗规律和扣损方法，这些都决定于土壤含水量，而土壤含水量的变化主要取决于流域的蒸散发量，即土壤的蒸发量和植物的散发量之和，所以土壤蒸发量计算是预报净雨的关键。

土壤蒸发大致可分为三个阶段：一是土壤含水量饱和时，则W=Wm，蒸发在表层进行，土壤蒸发等于蒸发能力E=Em；二是一般土壤含水量由毛细管输水蒸发，则蒸发量与土壤含水量成正比即E=KEm；三是土壤含水量小于凋萎湿度，则E趋近于0。

一般的土壤蒸发量计算，用蒸发折算系数K值计算，即

式中：K为蒸发折算系数,Wm为流域最大土壤蓄水量,Em为流域蒸发能力。

现行计算方法所存在的问题为如果用K值计算流域土壤蒸发量，那么与实际情况相比，晴天偏小，阴雨天偏大，特别是临近降雨几天的影响更大，如果前几天是连续阴雨天则实际土壤含水量的误差可达25%～30%。说明用K值计算土壤含水量有时候误差较大。

为提高精度，用实测蒸发值计算土壤蒸发。蒸发的第2阶段即介于最大与最小之间的土壤含水量最多，此地土壤蒸发强度E将小于Em，而且随着水量的减少而减少，因此微分时段内的土壤蒸发值在数值上等于土壤含水量的消退值，即：

式中E为蒸发强度，与土壤含水量W成正比，设比例系数为 a，则：

其中E为时段蒸发量，W"与W'分别为W值的时段末值和初值，如时段长为24h，E即为日蒸发量，W"后于W'1d。

1.3 用逐次逼近法计算流域的最大蓄水量Wm

流域的最大蓄水量Wm，即历次洪水中损失量的最大值。这是产流计算中最重要的参数之一，直接影响降雨扣损大小，也是决定产流计算误差大小的主要因子。

一般确定Wm的方法是挑选前期大旱无雨，即W=0，且本次降雨量大而强度小，保证大部分降雨为土壤吸收，不产生或者产生很小的径流，则本次降雨总量净雨R即为Wm。然而现实中这种情况很少，所以用逐次逼近法来计算历次洪水损失量的最大值，作为流域最大蓄水量Wm。

此方法可以挑选一次较大的洪水来计算。先假设一个Wm，计算出本次洪水的前期土壤含水量W，则第一次计算的Wm为：

式中P为本次的总雨量,R为本次洪水的径流。

只要用算的Wm重复计算多次，用每次的Wm逐渐接近最大的Wm，最后稳定某个数值可停止计算。

1.4 降雨强度对净雨计算的影响

降雨强度也是净雨计算中误差的重要来源。在降雨径流关系的各种预报方案中，一般很难考虑不同降雨强度的影响，只能凭借预报人员的丰富实践经验来随时修正。为了提高预报精度，减少各种人为因素造成的误差，因此必须在研究降雨强度对净雨计算的影响值。

前期土壤含水量不同造成降雨强度对净雨影响的不同，前期土壤含水量越大则影响越小，直至使降雨强度对净雨无任何影响。对于某一固定流域，Wm是定值，土壤含水量W越大，初损值越小，如果W大到一定程度，使洪水的降雨强度超过初损，则全流域任何暴雨入渗都在地表饱和情况下进行，即下渗率与降雨强度基本无关，对净雨计算也无任何影响。对于较小的降雨强度，由于不能满足地表供水，入渗率就要减少；而对于较大降雨强度的洪水，除满足土壤入渗以外，大量的超渗雨排入河道，使净雨增加，降雨强度越大，则超渗雨越多，净雨变化就越大。

1.5 降雨历时对净雨的影响

降雨历时较长时，因为蒸发和稳损，相同总量的降水也要使净雨偏少。前期土壤含水量不同也可使降雨历时对净雨的影响值变化，前期土壤含水量W越小则初损越大，即初损能力增加；由于长历时降雨，一般雨强较小，形成地表不饱和的入渗；因此降雨入渗量增加，超损产流的可能性很小。总之，降雨历时较长的暴雨洪水其净雨相对偏少，具体减少值随着流域特性和降雨特性变化，具体流域具体分析。

1.6 地形与水文地质条件的变化对净雨的影响

水文地质条件对降雨的影响较大，因为水文地质条件影响土壤的蓄水能力，在降雨径流关系中对各种参数来说，主要是影响土壤最大蓄水量，其次是影响下渗率随时间的变化趋势的值。山区由于土层较薄，有些甚至基岩出露，因此Wm小使下渗量减少，所以净雨偏大，平原反之。地形主要是影响坡面汇流速度，间接影响下渗量。因为坡面汇流速度越大，则下渗的时间越短，如下渗强度不变，可使得净雨增加，对于某些流域由于水文地质条件和地形变化较大，而且暴雨特性有多变，则可对降雨差生较大的影响。