预报模型在典型中小河流洪水预报中的应用

董向

(广东省水文局肇庆水文分局，广东 肇庆 526060)

0 前言

防汛始终是水文工作的重中之重，洪水预报是水文工作的重要窗口之一。通过水文工作者长期不懈的努力，大江大河洪水预报取得了巨大的进展，预报技术成熟，但在中小河流洪水预报方面，由于点多面广，水文资料短缺，预报技术尚未成熟，中小河流洪水预报变成了近些年水文工作的重点和难点。中洲河大象站为典型中小河流站，以广东省中小河流洪水预报预警系统为平台，利用历史实测资料，建立传统相关图模型和新安江模型预报方案，并对建立的方案进行精度评定，利用近3年场次洪水进行模拟预报，分析模型的适用性，为该地区中小河流洪水预报提供参考。

1 流域概况

中洲河位于怀集县北部，属于绥江干流的上游，发源于清远市连山县的擒鸦岭，集水面积908 km2，河长77 km，平均河床坡降2.26‰，属暴雨高值区，多年平均降雨量1 800～2 400 mm。流域内100 km2以上的支流有小三江水、上帅水、白竹坑水，地貌多为山区、丘陵，植被较好，与马宁水在怀城镇汇合流入绥江。流域内无大中型水库，干流上建有中洲水库、焦平电站等一批小水电项目，支流上帅水下游建有若干水利工程，包括水库和若干梯级电站。

大象水文站位于肇庆市怀集县怀城镇大象村，设站于1956年11月，集水面积879 km2，为北江中下游地区水文分区的区域代表站，同时也是中洲河控制站，属省级重要水文站，该站测验断面顺直、稳定，水位流量关系多呈单一曲线。洪水主要由锋面雨形成，多在5-7月出现，一般年份有5～6场中高水位洪水，洪水峰高，暴涨暴落，涨落历时较短，属典型中小河流站。

2 理论基础

自然界中的水文现象，是一种由众多因素相互作用的复杂过程。为了研究这一复杂过程的规律，水文工作者和科学家一直在不断的探索研究。近年来，为了研究降雨径流的关系，通过建立模型，去模拟复杂水文过程，以探求其中的规律，人们开发了很多水文模型。在洪水预报中，常用的水文模型有相关图模型、新安江模型、单位线和API模型等。

采用的平台为广东省中小河流洪水预报预警系统，该系统是广东省水文局委托长江水利委员会水文局对广东省200～3 000 km2的中小河流，结合南方地区水文、气象、地理等特点开发的集查询、建模、预报、会商为一体的洪水预报预警系统。文章以中洲河大象水文站为典型中小河流站，通过该系统，根据历史实测资料，建立传统相关图模型和新安江模型预报方案，并运用方案对该站近3年场次洪水进行模拟预报，统计预报方案的精度，分析模型的适用性，为同类型中小河流洪水预报提供参考。中洲河水系及站点分布见图1。

图1 中洲河水系及站点分布图

2.1 相关图模型

相关图洪水预报模型是一种传统而直观的洪水预报方法，具有信息量大、物理成因好、使用简易等优点，在某些地区的预报精度甚至比计算机水文产汇流模型精度更好，因此在洪水预报的实践中，仍然发挥了重要的作用，与其他水文预报模型一起为洪水预报提供有力支持。传统意义上的相关图模型，以图形方式表述，根据相应水位(流量)预报原理，依据流域上下游站点之间的实测资料建立起来的相应关系，利用相关图，就可以根据已知数据(降雨、水位、流量)，查询预报站点的预报水位(流量)。文章采用的为上游降雨为输入，预报站点洪峰水位为输出的相关图模型。

2.2 新安江模型

新安江模型是赵人俊等在1973年对新安江水库做入库流量预报工作中，归纳成的一个完整的降雨径流模型。最初的模型为两水源(地表径流和地下径流)，后来，相继提出了三水源和四水源的新安江模型。模型主要由4部分组成，即蒸散发计算、蓄满产流计算、流域水源划分和汇流计算。广东省中小河流洪水预报预警系统中，新安江模型相关主要参数意义及取值范围如下(详见表1)。

表1 新安江模型相关主要参数意义及取值范围(广东省中小河流洪水预报预警系统)

3 预报方案构建

3.1 资料选择

根据大象站的历史实测资料情况，选取2004—2014年资料供方案编制，选取2018—2020年实测洪水场次资料用于模拟预报计算，检验精度评定方法按照《水文情报预报规范》标准。综合考虑流域集水面积和产汇流特性，取1 h为预报方案的计算时段长。

由于流域内无蒸发监测站点，蒸发资料系列借用相近的贺江南丰站多年月平均日蒸发量(见表2)。

表2 南丰站多年月平均日蒸发量表 单位：mm

大象站以上流域共有9个雨量站(包括水文站)，通过分析各站数据的可靠性和资料系列同步性，选取长久、加田、小三江、白竹坑、上帅、下帅、中洲、大象8站为雨量计算站点，采用泰森多边形计算权重系数(见表3)。

表3 大象站断面以上流域雨量站及权重表

3.2 方案构建

相关图模型：模型构建采用上游降雨为输入，预报站点洪峰水位为输出的相关图模型，共选取25场洪水建立相关图方案(见图2)，由于系统自动生成峰时曲线不合理，采用人工分析，修正峰时相关图。通过场次洪水对该方案进行精度评定(见表4)。

表4 大象站相关图模型精度统计表

图2 大象站洪峰水位预报图

新安江模型：通过次洪样本选取-初始值设置-参数优选-参数调整-次洪精度统计，优选模型参数(见表5)，根据南方地区河流特性，结合流域特性，方案的参数基本符合要求。根据优选的模型参数模拟计算各次洪样本流量过程，并对洪峰、峰现时间、过程水量的相对误差进行统计，最终以确定性系数评定总体效果(见表6)。

表5 新安江模型优选参数结果表

表6 新安江模型精度统计表

4 预报模型应用分析

为检验所建立方案在洪水预报中的适用性，选取2018—2020年7场洪水过程进行模拟预报计算(允许误差依据《水文情报预报规范》标准)，并进行预报合格率统计。模拟预报计算选取造峰雨结束时刻为开展预报时间，两种模型洪水模拟预报计算结果和模型方案特点见表7、表8和图3。

表7 相关图模型和新安江模型洪水模拟计算结果统计表

表8 大象站相关图模型和新安江模型预报方案特点表

图3 2020年6月上旬大象水文站洪水过程模拟预报成果图(新安江模型)

5 小结

相关图模型和新安江模型在典型中小河流站洪水预报中，均具备一定的参考价值，且各有优势，在实际预报中需根据预报的目的和需求，选择相应的预报模型，以取得最优预报结果。

选取构建方案的洪水过程均为单峰型，且资料系列不完整(2015—2017年资料系列缺少)，预报方案在复峰或复涨型洪水模拟预报中表现一般，仍需增加样本数量，优化模型参数，提高预报方案的合格率。且历史洪水进行模拟预报计算不能代表实际预报作业，预报方案在防汛实战中的适用性仍待进一步验证。

由于资料所限，方案建立中未进行洪水场次分类，在模拟预报计算中未进行历史相似洪水对比分析，后续加入相关内容，将能有效提高方案的实用性。

水利工程对河流行洪影响程度有待进一步研究，流域内水库、梯级电站改变了河道的天然水文特性，干扰了河道行洪规律，尤其在中小洪水中，影响显著。在实际洪水预报中，需熟悉流域特性，适当调整预报模型相关参数，才能取得更高的预报精度。

建立的预报方案相关参数对南方地区山区性河流洪水预报具有一定借鉴和参考意义，为南方无资料地区中小河流洪水预报提供了参考。