陕西中小河流洪水预报系统在柞水站预报的应用

陆 琪

目前中小河预报方案的编制，既是水文工作的重点，也是难点。2016年以前，陕西省商洛水文局曾试用降雨径流相关法、单位线法等试做柞水水文站洪水预报方案，均因预报方案精度低而未能完成。2017年，陕西省中小河流预报系统建设项目全面启动，本文以陕西省中小河流洪水预报系统为方案编制平台，编制了乾佑河柞水水文站洪水预报方案。

1 概况

柞水水文站位于乾佑河上游河源段，乾佑河发源于秦岭南麓海拔1500 m以上的高山区。柞水水文站以上流域面积457 km2，呈扇形，河长30.5 km，比降17‰，流域内山峦叠嶂，谷深沟峡。两岸主要支流有黑沟、西沟、老林头河、安沟等。流域水系及水文站雨量站网分布见图1。

图1 柞水水文站以上流域站网分布图

流域属于亚热带山地季风性气候，受秦岭对北方寒潮的阻隔，及东南部开口的掌状山川地形影响，有利于东南及南部暖湿气流向境内流入，成为雨水较多的区域。该流域径流系数在0.34，多年平均降雨量780 mm左右，但年际变化大，年内分配不均，夏季为多雨季节，季降雨量占全年降水的50%左右，秋季降雨量占全年降水的27%左右。夏季致洪主要由极锋过境时的局部暴雨形成，其特点一般是短历时、大强度，河水陡涨陡落，极锋过境后，本地易形成高温伏旱。秋季致洪常是连阴雨形成，河水涨落较缓。冬春两季是一年降雨较少的季节，两季降雨量占全年降雨的25%左右，常为枯水期。

暴雨多发生在主汛期（7、8、9月），10月次之。洪峰汇流时间，从流域主要降雨结束到洪峰出现一般为1.5 h，有时主要降雨还没有结束洪峰就已出现，一次洪水过程1～4 d，洪峰持续时间在 0.1～3 h。

流域处于陕南山区，气候由亚热带向暖温带过度的地区。具有气候湿润，降雨量较多；山岭面积大，土薄石多；汛期暴雨集中，下渗少，径流多；涨水历时短，退水历时较长等特点。因此产流方式以蓄满产流为主。

2 陕西省中小河流预报系统

陕西省中小河流预报系统平台除了具备模型参数调试列表外，还增加了子流域分段数参数、场次洪水状态变量参数和洪水量级定义等功能。该模型基本结构见图2。

图2 新安江模型3水源基本结构流程图

3 流域洪水预报方案的建立

柞水断面以上流域产流方式以蓄满产流为主。因此可以使用中国水利水电科学研究院研发的陕西省中小河流预报系统三水源蓄满产汇流综合模型，在本模型中，把柞水以上断面流域作为一个单元总体，求得流域出口流量过程。

3.1 资料的选用

本次方案编制采用柞水水文站1981年至2016年共36年的54场次雨洪配套资料，其中1981～2014年资料用于率定参数，2015～2016两年雨洪资料用作方案的检验。雨量资料用黄花岭、花门楼、老林和柞水站供4站。

3.2 历史洪水量级的划分

根据中水科的《陕西省中小河流洪水预报》软件功能，首先将柞水水文站所选的54场次洪水，根据洪峰流量的大小及分布，人工定义大、中、小三级，根据下列步骤计算各场次的降雨产生的流深R。

（1）计算历史洪水（洪峰）发生时，该站当日8时流域土壤前期影响雨量Pa；一般用下列经验递推公式计算：

式中，K为前期影响雨量消退系数；Pt为t日的降雨量；Pa，t为t日8时的前期影响雨量；Pa，t+1为t日的t+1日8时前的土壤前期影响雨量。

（2）计算该次洪峰发生前断面以上主要降雨的平均降雨量p；

（3）用公式R=Pa+p-Im，计算R值。Im为该流域最大初损，经分析计算，该断面以上流域最大初损为74 mm。

（4）根据产流深R值和人工定义的洪水等级，由历史洪水的计算统计得出下表结论见表1，供预报时选用其相应预报方案。

表1 径流深R与洪水量级对应表

3.3 参数率定

根据工定义的大、中、小各级洪水，分别进行参数率定，根据机器自动优选和人工相结合的方法，使实测过程与模拟过程拟合最好时的参数作为预报方案的最终率定成果。预报方案见表 2、表 3。

4 洪水预报方案编制成果

4.1 模型率定成果

分别对各次洪水的洪峰流量、洪峰出现时间按照许可误差法进行评定，50次洪峰合格场次36次，合格率72.0%；峰现时间合格率82.0%，方案评定等级为乙等，各次洪水评定结果见附表1～表3。按照评定结果进行统计，得到柞水水文站断面以上三水源模型法洪水预报方案总体评定，见表4。

表2 模型率定成果统计表

表3 各洪水量级子流域分段数参数值

表4 三水源模型法洪水预报方案评定结果表

4.2 模型检验成果

使用近年的2015～2016两年的场次洪水资料，进行方案的精度检验,各次洪水精度检验情况见附表4，洪峰流量和峰现时间检验结果见表5。

表5 洪水预报方案精度检验结果表

4.3 模型方案的评价

由检验表可知，4次洪水洪峰合格率100%，为甲等；洪峰出现时间合格率75%，为乙等；方案检验精度指标稍优于评定指标。根据《水文情报预报规范》（GB/T22482-2008GB）的规定方案总体等级为乙等，可用于发布正式预报。

4.4 预报方案存在的主要误差

1）部分场次洪水的产流机制与模型的产流机制不符。三水源是一种蓄满产流模型，即土壤包气带土湿达到田间持水量后产流，因此当有部分洪水是由以超渗产流为主时，会出现用模型模拟量与实测值比较有偏小的情况。这种洪水多半是每年的汛初和久旱下大雨的情况；但如土壤含水量已经饱和后降雨，这时模拟量与实测值比较出现偏大的情况；

2）集总模型的不均匀产流设计模式同降雨分布很不均匀的局部产流机制不同而造成误差，在率定过程中这类洪水出现了洪峰量值系统偏小的情况；

3）由于过去流域内雨量站较少，各雨量站点分布不均，雨量代表性较差，影响了流域面雨量的计算精度；

4）历史降雨资料为6小时的人工观测资料，处理成1小时的时段雨量后，用均化后的降雨过程代替实际降雨，造成计算的洪峰值偏小的情况；

5）水利工程对洪水预报的影响。上游蓄水引水坝工程,对大中洪水影响不大,但对小水有一定的影响。特别是对汛初或者久旱后降雨，计算值往往偏小。

5 结论及建议

5.1 结论

预报方案模型增加了此洪状态变量前期气候的影响因子和产流面积分布状况的5个敏感参数（上层张力水蓄量WL，下层张力水蓄量WD，以及流域包气带自由水蓄量S以及此洪产流面积比值FR）。这些参数对调试场次洪水的合格率是很有益的，但同时也给作业预报带来困难，因为在实际作业预报时，要根据流域实际出现的情况给这些无法观测的参数赋值，主观任意性大，预报成果的不确定性增加，可能同一场降水预报洪水成果会相差很大。

5.2 建议

（1）实际作业预报时尽可能增加报汛雨量站，将所有报汛雨量站全部纳入面雨量计算，以提高面雨量的计算精度。

（2）当流域内出现降雨特别不均、汛初第一场降雨、久旱后下普雨等雨型时，预报会商时预报洪峰的量值要适当调小。

（3）在作业预报时应充分考虑次洪参数产生的误差影响，可在汛期用Excel表每天用前期影响雨量经验公式，如Pa，t+1=k（Pt+Pa，t）推算预报断面流域以上的前期影响雨量，为次洪状态变量参数WL、WD、和S参数赋值作参考；根据次降雨量的在流域上的分布情况、土壤前期影响雨量情况对FR确定参数值。

（4）根据柞水水文站陡涨陡落的洪水特性，因此作业预报的预见期不易过长，一般不超过2小时，以1小时为宜；可进行连续1 h滚动预报。

[1]王光生，宁方贵，肖非.实用水文预报方法[M].北京水利水电出版社，2008.

[2]GB/T 22482-2008水文情报预报规范[S].北京水利出版社，2008.