漓江流域上游洪水预报方案研究与应用

2016-08-30陈立华冯世伟邓芳芳

广西大学学报（自然科学版） 2016年4期

陈立华，冯世伟，邓芳芳

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004;2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西南宁530004;3.广西南宁水利电力设计院，广西南宁530004; 4.广西南宁禹道水利科技有限公司)

漓江流域上游洪水预报方案研究与应用

陈立华1,2，冯世伟3，邓芳芳1,4

漓江流域上游是广西山洪灾害多发区中较严重的流域之一，为了对漓江流域上游防洪减灾提供技术上的支持，根据漓江流域上游的水文资料、地形地貌及气候特征，构建漓江流域上游三水源新安江模型洪水预报方案。选取2008～2013年的27场洪水作为率定期洪水，2014～2015年8场洪水作为验证期洪水进行降雨径流模拟。模拟计算结果表明：率定期模拟合格率为85.2%，平均确定性系数为0.850；验证期合格率为87.5%，达到甲级精度，平均确定性系数为0.87，达到乙级精度。模拟结果的分析表明，三水源新安江模型适用于漓江流域上游且取得较好的模拟结果，可为漓江流域上游洪水作业预报提供参考。

洪水预报；漓江流域上游；新安江模型

漓江流域上游因复杂的地质与水文条件导致山洪灾害频发，是广西山洪灾害多发区中较严重的流域之一。新安江模型是赵人俊等[1]在1973年对新安江水库做入库流量预报工作中提出的研究成果，模型自提出以来得到广泛应用，特别是在南方湿润、半湿润地区，研究工作取得了丰硕的成果[2-7]。本研究以漓江流域上游为研究对象,基于新安江模型构建漓江流域上游的科学合理的洪水预报方案，为该流域防洪减灾提供理论与方法支持。

1　流域概况

漓江流域上游位于桂林水文站以上，集水面积2 785 km2，平均海拔150 m，河段干流长105 km，其中，流经市区河段长4.93 km。流域整个地势由西北向东南倾斜，呈北高南低，特殊的地势使得流域内降水比较丰沛，该流域上游是广西三大暴雨中心之一。研究区属亚热带季风气候，多年平均降雨量1 889.4 mm，汛期在3～8月，汛期降雨量占年降水量的75%左右，汛期内流域降水较多，从而导致流域内水灾频繁。

2　模型原理与结构

新安江模型的建模思路：当流域面积较小时，新安江模型采用集总模型；当流域面积较大时，采用分块模型[8]。将流域分成若干自然子流域作为计算单元，计算每一个子流域的产流量，以及子流域内的坡面汇流，然后将各子流域的出流在对应河道上进行河道洪水演算，直至流域出口断面，进而求得流域的出口流量过程。模型计算包括蒸散发计算、蓄满产流计算、流域水源划分和汇流计算四部分。

图1　蓄水容量曲线Fig.1　Storagecapacity curve

①蒸散发计算。采用三层蒸散发计算模型，其计算思路：流域蒸散发先从上层蒸发开始，当上层含水量不够蒸发时则由下层蒸发，当下层水量不够蒸发时则用深层水补给[9]。

②产流计算。按照蓄满产流模式计算降雨产生的总径流量，采用流域蓄水容量曲线，并考虑下垫面不均匀对产流面积变化的影响。由于土壤湿度在面上分布不均匀，因此产流面积是变化的。为此在新安江模型中引进了张力水蓄水容量曲线[10]，把流域内各点的蓄水容量概化成一条抛物曲线，如图1所示。

产流计算公式为：

(1)

③流域水源划分。采用一个自由水蓄水库进行水源划分的方式，按蓄满产流模型计算出的产流量R进入自由水蓄水库后，分成地面径流(RS)、壤中流(RSS)和地下径流(RG)。其中，壤中流(RSS)和地下径流(RG)再经过地下水库调蓄可分别得到壤中流对河网的总入流(TRSS)和地下径流对河网的总入流(TRG)[11]。采用新安江模型核心曲线之一的流域自由水蓄水容量曲线来描述流域内自由水蓄水容量在产流面积上分布不均匀的现象[12]。

④汇流计算。分为3个阶段进行，即坡地汇流阶段、河网汇流阶段和河道汇流阶段。

地面径流RS直接进入河网，其计算公式为：

TRS(t)=RS(t)·U。

(2)

壤中流RSS与地下径流RG均用线性水库模拟，壤中流消退系数为KKSS，地下径流退系数为KKG。壤中流RSS与地下径流RG计算公式为：

TRSS(t)=TRSS(t-1)·KKSS+RSS(t)·(1-KKSS)·U，

(3)

TRG(t)=TRG(t-1)·KKG+RG(t)·(1-KKG)·U，

(4)

TR(t)=TRS(t)+TRSS(t)+TRG(t)，

(5)

式中，U为单位转换系数，U=A/(3.6Δt)；A为流域面积(km2)；Δt为计算时段(h)。

单元面积的河网汇流是指水流由坡面进入河槽后继续沿河网的汇集过程，采用无因次时段单位线模拟水体从进入河槽到单元出口的河网汇流[13]，其计算公式为：

(6)

式中，Q(t)为单元出口处t时刻的流量值，UH为无因次时段单位线；N为单位线的历时时段数。

河道汇流采用马斯京根法[14-15]。

3　模型构建

3.1子流域划分及预报框架图

不同的分辨率对于流域的汇流时间是不同[16]，根据漓江流域上游的具体情况，基于DEM(90 m×90 m)，应用GIS将该区域划分为12个子流域，其分布与编号如图2所示。

图2　漓江流域上游子流域及上游泰森多边形划分图

12个子流域中需进行产汇流计算的有10个，根据子流域划分情况编制漓江流域上游的新安江模型预报方案，如图3所示。其中，4号子流域出口处为大型水库——青狮潭水库，直接采用青狮潭水库实测出库流量资料作为研究区输入信息；9号子流域主河道为灵渠——沟通了漓江与湘江的人工渠道，采用流域出口处灵渠水文站实测径流资料作为研究区输入信息。

图3　新安江模型预报方案框图

3.2水文数据

本研究收集与整编了桂林、庙头、青狮潭、川江、华江、砚田、高寨、鲤鱼塘、清水江、严关、司门、三街等12个雨量站2008～2015年8年的降雨数据，灵渠、桂林两个水文站2008～2015年8年的流量数据，青狮潭水库站2008～2015年8年的出库流量数据以及桂林气象站2008～2015年8年的蒸发数据。根据雨量站网划分的泰森多边形结果如图2所示。

根据泰森多边形划分结果，采用雨量权重法计算流域平均面量，其计算公式为：

(7)

3.3子流域单位线推求

图4　潮田站控制流域单位线Fig.4　unit hydrograph of ChaoTian watershed

由于缺少各个子流域出口处的实测流量资料，因此无法利用降雨径流资料推求各小流域的单位线，本研究尝试了两种单位线的推求方法。第一种方法采用《广西壮族自治区暴雨径流查算图表》的有关方法、公式和参数。根据《广西壮族自治区暴雨径流查算图表》汇流分区图，并根据《广西壮族自治区暴雨径流查算图表》中列举的经验公式进行参数计算。但在应用中发现计算合格率仅为18.5%，误差较大。第二种方法选取了临近漓江流域上游的1个小流域，该流域由潮田水文站控制流域面积326.11 km2。根据流域内2015年的实测降雨和流量资料推求该流域的瞬时单位线，如图4所示，并根据漓江流域上游各子流域实际情况对单位线进行修正，经过模拟计算应用效果较好。因此，本次研究采用第二种方法推求各子流域单位线。

4　应用实例

4.1模型精度评定指标

根据《水文情报预报规范》[17]的相关规定，以洪量误差(REv)、洪峰流量误差(REp)、峰现时间误差(ΔT)作为率定参数的评定指标，对模型的模拟精度进行综合评价，规范规定径流总深误差的许可误差不超过实测径流总深的20%，洪峰流量误差的许可误差不超过实测洪峰流量的20%，峰现时间误差在±3 h。通过预报场次的合格率(QR)和确定性系数(DC)综合确定预报项目精度等级。

4.2模型参数

本研究根据2008～2013年率定期27场洪水，采用人工率定的方法进行参数率定，得出适用于漓江流域上游新安江模型及马斯京根法参数见表1、表2。

表1　新安江参数表Tab.1　Paratemters of Xin’an jiang model

表2　马斯京根法参数表Tab.2　Paratemters of Muskingum

4.3模拟结果

根据《水文情报预报规范》模型精度评定指标的综合评价结果。模拟计算结果如表3所示，部分模拟径流过程线如图5～图8所示。

表3　新安江模型模拟结果Tab.3　The simulation results of xin’an jiang model

续表3

时期序号降雨场次模拟径流总深/mm实测径流总深/mm径流总深误差/%实测洪峰/(m3·s-1)预报洪峰/(m3·s-1)洪峰流量误差/%峰现误差1/h确定性系数DC是否合格验证期12014040573.9383.64-11.606396847.0300.861是220140701179.12203.27-11.88287029141.5500.917是320140615116.64139.02-16.101180996-15.5720.766是420140508126.57171.05-26.0021801831-16.0250.754否52015050822.6426.88-15.76599598-0.1700.836是62015051146.0446.46-0.92113011774.1330.941是72015051597.2695.981.331740193811.3610.935是820150608224.54212.715.56222023445.6120.952是

注：表中峰现误差负值表示模拟峰现时间相对实测峰现时间提前，正值表示模拟峰现时间相对实测峰现时间滞后。

图520100612场次洪水降雨—径流模拟结果

Fig.5Rainfall-runoff simulation results in flood NO.20100612

图620120502场次洪水降雨—径流模拟结果

Fig.6Rainfall-runoff simulation results in flood NO.20120502

图720140701场次洪水降雨—径流模拟结果

Fig.7Rainfall-runoff simulation results in flood NO.20140701

图820150608场次洪水降雨—径流模拟结果

Fig.8Rainfall-runoff simulation results in flood NO.20150608

由表3可看出，率定期27场洪水合格率为85.2%，达到甲级精度；平均确定性系数为0.850，达到乙级精度。验证期8场洪水合格率为87.5%，达到甲级精度，平均确定性系数为0.87，达到乙级精度。

5　结　语

本研究结合DEM与ARCGIS地理信息系统软件进行子流域划分、子流域面积计算、泰森多边形划分以及雨量权重的计算等，构建了新安江模型洪水预报方案。通过2008～2013年率定期27场洪水及2014～2015年验证期8场洪水进行降雨径流模拟，率定期合格率达到了甲级精度，平均确定性系数达到了乙级精度；验证期合格率达到甲级精度，平均确定性系数达到乙级精度。通过模拟结果分析表明，三水源新安江模型适用于漓江流域上游且取得较好的模拟结果，可为漓江流域上游洪水作业预报提供参考。

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(责任编辑唐汉民裴润梅)

Study and application of flood forecasting inupstream basin of Lijiang

CHEN Li-hua1,2, FENG Shi-wei3, DENG Fang-fang1,2

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China;2.Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety, Nanning 530004,China;3.Nanning Water Conservancy and Electric Power Design Institute, Nanning 530004,China;4. Guangxi Nanning Yudao Water Conservancy Technology Company Limited, Nanning 530004, Cina)

In order to provide technical support for flood control and disaster alleviationin upstream basin of Lijiang,according to the topography and climate characteristics of upstream basin of Lijiang river,floods were simulated by the hydrology modeling system with Xin’anjiang model, and flood forecasting scheme based onthree water source Xin’anjiang model in upstream basin of Lijiang was constructed. 27 floods from 2008 to 2013 were selected as regular analog floods and 8 floods from 2014 to 2015 were selected as verifiedfloods for rainfall runoff simulation. Simulation results showed thatthe qualified rate of regular analog was 85.2%, and the average coefficient of determination was 0.850; that the qualified rate of verification was 87.5%,which reached A-grade precision, and the average deterministic coefficient of 0.87 reached B-grade accuracy.The simulation results show that three water source Xin’anjiang model is suitable for upstream basinof Lijiang and has given reasonable results, and the research results can provide reference for flood forecasting in upstream basin of Lijiang.

flood forecasting; upstream basin of Lijiang; Xin’an jiang model

2016-01-10；

2016-05-15

国家自然科学基金资助项目(51469002，51009029)；广西自然科学基金(2015GXNSFBA139218)；广西科学研究与技术开发计划(桂科攻1298005-6)；广西重点实验室系统性研究项目(2014ZDX012)

陈立华(1980—)，男，福建三明人，广西大学教授，博士；E-mail：zgfjclh@163.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1298

TV124

1001-7445(2016)04-1298-08

引文格式：陈立华，冯世伟，邓芳芳.漓江流域上游洪水预报方案研究与应用[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1298-1305.