考虑成灾数据集合信息的山洪预警与降雨预报耦合修订方法研究

2019-05-21郭小川

水利规划与设计 2019年5期

郭小川

(辽宁省沈阳水文局，辽宁沈阳 110005)

近年来，随着极端天气的增多，经常有突发性的暴雨发生，导致山洪灾害频繁发生，给人民以及社会带来了严重的危害。山洪预警是防御山洪灾害的一项重要的非工程措施，其作为一个行之有效的防洪减灾手段越来越受到重视。目前，国内外学者对山洪预警技术进行了大量研究，也取得了一定的成果，但是由于山洪灾害成因复杂，现有的山洪预警方法没有完全将影响山洪灾害的因素考虑在内。因此，本项目以辽宁中部某流域为研究流域，综合考虑前期影响雨量、累计雨量、降雨强度以及降雨分布等因素对山洪灾害的共同作用，提出了一种基于水文模型的动态临界雨量山洪预警方法，并验证了该方法在小流域的适用性。

1 研究方法

1.1 绘制降水径流关系图

降雨径流相关图描述的是前期影响雨量、面平均降雨量与径流之间的关系。前期影响雨量对降雨径流相关图的绘制以及水文预报的准确性有着至关重要的作用，其计算公式为：

Pa，t+1=k(Pt+Pa，t)

(1)

k=1-Em/Wm

(2)

式中，Pa，t+1—t+1日上午8时的前期影响雨量；Pa，t—t日上午8时的前期影响雨量；Pt—t日的降雨量；k—流域蓄水的日消退系数；Em—流域每月平均蒸发能力；Wm—流域最大蓄水容量。

1.2 确定经验单位线

用分析法求解单位线，即已知流域出口断面的流量过程Q(t)和净雨过程h(t)，求解一个以q(t)为未知数的线性方程组，即：

(3)

求解可得：

(4)

因估算净雨量、流量以及降雨量检测等均存在误差，故分析法求得的单位线有时会出现锯齿形，甚至是负值，此时需要对单位线进行修正，但要保持单位线的径流量为10mm，误差小于或等于0.1mm。

1.3 计算动态临界雨量

分五步进行计算：①结合水文模型推求不同历时T降水下的洪水过程；②当计算的洪峰流量大于设定的预警指标值，则区域出现山洪情况，重新回到步骤①计算洪水过程，若小于设定预警流量指标值，则进入步骤③；③将降雨量按照不同时段进行排序，再推求T+1时段下水文模型计算的洪水过程；④若T+1时刻计算的洪峰流量值大于预警指标值，则T+1时段对应的降雨量值则为动态临界雨量值，结合该雨量值可降水～径流关系曲线，若未能得到动态临界雨量值，则进入步骤③进行重复计算；⑤将步骤①～④进行重复计算，得到不同降水时段的降水～径流关系曲线，从而得到区域总的降水～径流关系曲线。

2 研究结果

2.1 区域概况

东陵站位于辽宁省水文分区的III5区，流域面积56.2km2，河长18.6km，流域平均坡度2.7‰。区域降雨径流参数见表1。

表1 区降雨径流参数表

由综合经验单位线法计算出该站单位线洪峰流量qm=26.2m3/s，单位线上涨历时tn=3h，变换为瞬时单位线，进而通过求得该站1h时段单位线进行汇流预报，见表2和图1。

表2 东陵站1小时时段单位线

2.2 降雨结合预报结果

分别计算CMA和JMA未来24h各量级降雨预报误差统计的特征值，计算结果列入表3和表4。

通过以上数据分析可看出：①由于中小雨及没有降雨情况下的系列较多，因此可较好的反映区域实际的降水情况，小雨预报概率为实际降雨情况概率下的85%，这也表明对于小雨或者没有降雨的预报精度还是较高的。②中等量级雨量预报的准确率可达到25%以上，发生中小量级雨量概率可达到85%以上，虽然中等量级的准确率较低，但是这种降水预报的信息还是可适当采用的。③预报大雨量级的概率较高，这表明大雨量级预报呈现偏少的情况，这个偏少的情况和6h、12h较为类似，并且降雨预报随着预报时段的增加，降雨预报精度逐步偏小的趋势更为明显。④虽然大雨量级预报的样本系列较少，但是从统计结果可看出两个预报模式下的大雨量级的预报精度还是可满足一定精度要求的。

表3 CMA未来6h各量级降雨预报误差检验结果

表4 JMA未来6h各量级降雨预报误差检验结果

图1 CMA未来6h各预报降雨量级情况下实际降雨概率分布曲线

2.3 降雨概率预报结果

估算出了总体统计的各个特征值，并用适线法拟合，最后得到了不同预报降雨量级情况下实际降雨的概率分布曲线，如图1—2所示。

从两个降雨预报模式可看出，虽然预报的降雨总体偏小于预报降雨(需作者复核)，但是在一定量级的预报雨量情景模式下，实际的降雨大于动态临界雨量的概率可为区域发生山洪灾害时提供重要的预警指标的信息。此外，预报的降雨量和动态临界雨量的比值可以间接反映区域发生山洪灾害的程度的大小。

图2 JMA未来6h各预报降雨量级情况下实际降雨概率分布曲线

2.4 耦合预警结果

采取修订后的耦合方法，对“20150722”和“20160713”两场洪水进行实时预警，结果见表5和表6。

通过与和实际降雨情况对比，采用降水预报与动态临界雨量进行耦合的方式，能够实现对区域山洪可能发生状态进行预警。从总体分析结果可看出，JMA模式下山洪预警的效果总体好于CMA降雨模式下的预警效果。从“20150722”的洪涝灾害发生情况可看出，对JMA降水集合预报信息下的山洪预警可达到红色预警，对区域山洪进行及时预警，而耦合CMA降雨预报信息下山洪预警只显示橙色预警，两种模式下的山洪预警可为区域山洪灾害的及时预警提供较为准确的信息。在具体实践过程中，需要将气象降水预测数据和山洪预警相关及时进行耦合，对区域山洪灾害进行综合预警。此外，超过6h的预警信息可以增长降水的预见期，可以作为山洪预警两个主要时段的有效补充，从而为山洪预警提供更加有效的决策依据。

表5 “20150722”耦合降雨预报信息的实时滚动预警

表6 “20160713”耦合降雨预报信息的实时滚动预警

表7 1h临界雨量指标检验

3 复核和校验结果

分别将基于API模型和新安江模型计算得到的动态临界雨量曲线应用于东陵站小流域的8场洪水中，检验其预警效果，检验过程列入表7。

从以上分析数据可以看出，采用API模型计算的山洪预警指标的合格率可以达到100%，而应用新安江模型计算的山洪预警指标的合格率同样可以达到100%，因此可以表明本文研究的预警偶合修订方法对于不同的水文模型都具有适用性。此外，水文模型计算条件下的动态临界雨量计算方法可较好的满足区域中小流域洪水预警的需求，其中中小流域预警效果也较好。为了提高山洪预警的准确度，在具体实际预警过程中，可采用不同水文模型对其临界雨量进行动态计算，实现动态预警。