降雨径流经验相关法在常德中小河流预报中的应用

2021-04-12张婉柔吴震中

湖南水利水电 2021年1期

关键词：洪峰降雨洪水

张婉柔，吴震中

（常德水文水资源勘测中心，湖南常德 415000）

湖南历有“三湘四水”的别称，其中常德市又有沅水、澧水流经，区内河网密布，囊括了众多中小河流，使得常德洪水预报方案的汇编颇有难度。

1 中小河流预报进展

目前，我国的中小河流预报预警研究技术尚未成熟，山洪方面的监测系统也还处于试点研究时期[1]。

1.1 国内技术预报的进展

国内中小流域洪水预报预警方法中，影响较大的主要有参照分布式水文模型山洪预报预警、水文比拟法[2]，及与气象联合的集合数值预报方法[3]等，此外，还有一些常规的模型也被使用。

HEC-HMS 降雨-径流模型，即半分布式水文模型，该模型在国内被广泛运用。邹杨等将该模型运用到沅江武水流域[4]，通过拆分流域子单元，模拟产汇流过程，率定模型的水文参数，以进行流域出口断面的洪峰流量及峰现时间等参数的预报，该流域模拟效果较好。雍斌等将该模型也运用到了汉江的褒河流域，最终发现GIS 技术可结合一些土壤下垫面基础资料来推求反映该特征的水文参数，以此与HEC-HMS 降雨-径流模型很好的耦合[5]。

还有一种较为传统的API 模型预报方案[6]。该方案主要是通过选择洪水场次，根据相关资料分析出流域降雨径流的相关参数，以此绘制出P～Pa～R 相关图，然后由净雨量及推求出的每场洪水的单位线，进行最终的洪水预报。该方案需要包含水位流量雨量蒸发在内的比较全面的历史资料，同时，对推求出的汇流单位线精度也有一定的要求。

王连华等在英那河流域史家堡水文站所做的降雨径流洪水预报方案[7]也是以API 模型为基础，通过降雨量及Pa，以理念洪水场次作为样本，推求出P+Pa～R 相关图，由P+Pa 即可查出预报R 值。

1.2 国外技术预报的进展

1）“HEC-DHM 系统”。这是一种基于分布式水文模型的山洪预报预警方案。该方案思路是先将整个流域拆分成众多子流域，通过对子流域的分析，最终预报达到出口断面的预警限值需要的流域总面平均雨量。这种预报方案也需要满足以下几个条件：一是有合适的雨量站网布设，二是设立了预警标准，三是降雨的精确性直接影响该模型预警的精度及预见期，需要与气象部门配合、密切联系。

2）“FFG 系统”[8～10]。这是基于动态临界雨量的山洪指导系统[11]，方案主要是根据已经发生的降雨量及出口断面的预警限值需要的流域面雨量，推求一个还需降落的降雨量，也即“FFG 值”。而该方法需要达到的条件有两个，一是流域当前土壤含水量，二是流域出口断面的参数。

2 本方案预报的思路

本方案基本参照蓄满产流的模式进行净雨的计算。其中，对前期土壤含水量已饱和的洪水场次，造峰雨量一般为降雨历时内的累计降雨量；若未饱和，则选择饱和后的累计降雨量作为造峰雨量。

预报的思路主要是通过研究中小河流站点历年来洪峰水位排行前15 的洪水场次，绘制出P+Pa 与洪峰水位的相关图及P+Pa 与水位变幅的相关图，并在图上拟定一条拟合度最高且符合实际的相关线，求得相关线的公式。在之后的降雨过程中，则可以由2 幅相关图计算得到要达到预警限值还需要的流域面降雨量，以达到快速预警的目的。本方案的预报思路如图1 所示。

图1 方案预报思路暨技术方案图

3 本方案基本情况介绍

本次临时方案汇编共包含15 个方案，其中沅水4个（延溪深水港站、夷望溪松阳坪站、大杨溪杨溪桥站、兰溪理公港站），澧水9 个（沙溪河临安站、道水临澧站、黄虎港安溪站、道水白洋湖站、仙阳河杜家岗站、竹溪河金盆站、石家河南坪河站、渫水双合站及渫水雁池站），湖区2 个（涔水青岩站及沧水朱家铺站）。

各方案通过分析绘制的P+Pa 与洪峰水位的相关图拟合度及相关线公式如表1 所示。其中，临安站、金盆站P+Pa 洪峰水位相关图如图2、图3 所示。

表1 中小河流预报断面P+Pa-洪峰水位公式表

其中，可以看出，除了青岩站及杜家岗站的拟合度偏低外，其他站点的相关线基本能很好地拟合P+Pa 与洪峰水位对应的相关点。而观察青岩站及杜家岗站P+Pa 与洪峰水位相关图，图上几乎存在两条相关线，分析判断可能为上下游小型水利工程泄水所致。临安站、金盆站及南坪河站拟合度极高，所有点几乎都在相关线上，可以很好地反应P+Pa 对应的洪峰水位关系，做到准确预报。

4 本方案的洪水实用性检验

本次拟采用2019 年的30 场洪水，用2 种方法对方案进行实用性检验，每站约检验2 场洪水。

方法一：根据降雨完成时产生的造峰雨量，作为场次内流域的面平均雨量，计算得P+Pa，参照绘制的P+Pa 与洪峰水位的相关图及P+Pa 与水位变幅的相关图，查线得预报洪峰水位的范围值，之后跟实际产生的洪峰水位相对比，具体分析如表2 所示。

图2 临安站P+Pa-洪峰水位相关图

图3 金盆站P+Pa-洪峰水位相关图

方法二：本方法采用了一种逆向反推的思路，类似于求出基于动态临界雨量的山洪指导方法中的“FFG值”。主要是在一场强降雨来临前，根据气象的预报及计算时站点Pa 值，参照P+Pa 与洪峰水位的相关图及P+Pa 与水位变幅的相关图，以及定好的预警限值（如金盆站以169.70 m 为基准水位，当水位变幅达到2.5～3.0 m 时发布洪水蓝色预警），推算出达到预警限值需要的降雨量。当实际降雨量达到或接近计算出的降雨量时，便可立即采取行动，延长预见期。具体分析如表3 所示。

检验结论：方法一根据P+Pa 预报洪峰水位的方法，预报值与实际值最大误差为-0.37 m，基本能满足预报要求；方法二根据Pa 与达预警限值P+Pa 推算出的降雨与实际降雨比较，预报值与实际值几乎一致。且方法二更能直观地判断降雨是否达到水位预警限值，但由于各中小河流站点基本建站不久，未发生较大洪水过程，且今年实际降水偏少，缺乏代表性的洪水场次，还需要后续修订及验证。同时，由于沅江流域及澧水流域以蓄满产流为主，但也存在超渗产流，因此仍需在实际运用本方案的过程中考虑雨强及降雨的区域性分布对结果精确性的影响。

根据以上结果并不能完全反映本次预报方案的合格性，还需再次对拟合度较高的具有代表性的测站选择20 次洪水场次进行分析。本次拟选择临安站及金盆站。各站点P+Pa-洪峰水位回归线图见图4、图5，具体分析如表4、表5 所示。

临安站为澧水二级支流沙溪河上的水文站点，站点以上集水面积228 km2，站点以上干流长度33.0 km，与河口距离12.0 km。站点采用85 国家基准高程系统，历史最高水位48.29 m 出现在2017 年6 月24 日。表中参数的公式见《水文情报预报规范》[12]及《水文资料整编规范》[13]。面雨量计算中，临安站流域内水文站点的选择，自上游至下游有舒公殿气象站（参考）、王家嘴雨量站（参考）、群英雨量站、敖山雨量站及临安水文站，如图6。

金盆站为渫水二级支流竹溪河上的水文站点，站点以上集水面积111 km2，站点以上干流长度21.4 km，与河口距离8.6 km。站点采用冻结高程系统，历史最高水位172.00m 出现在2016 年7 月20 日。由于该流域面积较小，流域内水文站点仅有2 个，分别是上游的苏市雨量站及站点的金盆雨量站，如图7。