基于中国洪水预报系统的渭河拓石站洪水预报

席小康，宋淑红，李凯娟

(陕西省水文水资源勘测中心，陕西 西安 710068)

洪水灾害严重制约着区域内经济社会的发展，洪水预报是防洪工作的一项重要非工程措施，切实可行的洪水预报方案与及时准确的洪水预报可为防汛抢险、防洪系统调度运用提供决策依据，为沿江人民生命财产安全提供水情保障[1]。洪水预报方法经历了从经验相关时期、概念性模型、集总式概念性模型再到分布式水文模型的发展过程，如水位(流量)相关法、降雨径流相关图法、单位线法等经验相关方法[2]，流量综合与水库调节模型(SSARR)斯坦福模型(SWM)等概念性模型，具有多参数与复杂概念的萨克拉门托(SAC)、水箱模型和新安江模型的，SHE、TOPMODEL等分布式水文模型[3-4]。在渭河流域，雷模化利用河段洪峰传播时间的分段积分法进行干流各站超警戒流量大洪水预报，茵孝芳、陈洁云等在渭河咸阳-华县河段建立了不受回水顶托影响，洪水以悬移质为主且水-沙关系良好的冲淤河道水位预报模型[5-6]，这些方法基本属于概念性模型，主要对相关因素进行概念性模拟，其结构和参数缺少成因控制，难以反映复杂的水文现象及其物理作用机制，随着系统论、控制论等新理论和计算机技术的发展，洪水预报系统在信息处理的技术以及预报方法上较以往传统的方法都有所突破，能够考虑流域特性空间变异的概念性集总模型与分布式水文模型明显提高了洪水预报精度，增长了有效预见期，在推动水文规律研究、解决生产实际问题、水文模拟技术发展等方面发挥了重要作用[7-8]。进入新世纪以来渭河拓石站在2003年、2005年、2013年、2018年均出现了较大洪水灾害，2018年7月11日12时30分，迎来建站以来的最大洪峰，给流域造成了严重的影响，但目前该站还缺乏有效预报方案，因此，本文以渭河拓石站控制流域为研究区，基于中国洪水预报系统，应用MSK与三水源新安江模型建立拓石站预报方案，以期为防汛减灾提供决策依据[9]。

1 流域概况与数据来源

1.1 流域概况

渭河发源于甘肃省定西市渭源县西南鸟鼠山北侧，拓石站控制断面以上区域属于渭河上游，地处黄土高原西南缘，陇中盆地南部，其东以六盘山为界，向北与黄河遥首相望，西临青藏高原，南边则以秦岭为界，境内山脉纵横，地形起伏较大，地貌主要为黄土高原沟壑区及秦陇山区，境内较大支流集中在左岸，发源于黄土丘陵和黄土高原，右岸支流均发源于秦岭山区。流域属于半干早、半湿润气候过渡区，年降水量315 mm～664 mm，年平均气温9℃～13℃，年日照时数2000 h～2420 h，降水时空分布不均，东南部多于西北部，且集中在夏秋季，该区域7月、8月洪水灾害最为频繁，洪水具有暴涨暴落、洪峰高、冲淤变化剧烈以及含沙量大的特点，渭河拓石站以上流域干流设有北道、元龙水文站，支流设有社棠站、凤阁岭站，很好地控制了拓石站上游干流和各个支流的水情变化。拓石站以上控制流域水系站点分布见图1。

图1 拓石站以上控制流域水系站点分布图

1.2 数据来源

收集2003年～2018年拓石、北道、社棠、凤阁岭站洪水摘录及相应的降水量摘录和日降水量资料，选用元龙、百家、关山、石庄子、元滩河、草川、杜家坪、范家河、麦积山、吴訾站的降水量摘录资料与日降水量资料，拓石站2003年～2018年历年逐月蒸发资料。

由于拓石站建站时间较短，将洪峰流量大于550 m3/s的洪水场次全部选用，共选取2003年～2018年间14次洪水过程，其中11场洪水进行模型参数率定，3次用于检验。

2 模型与参数

2.1 方案构建

依据模型结构以及原理按照流域分区-蒸散发计算-产流计算-水源划分-坡面汇流-河道汇流构建方案。根据流域水系以及控制站点分布情况，方案设置4个输入，干流北道站控制面积24871 km2，为Ⅰ单元；支流社棠站控制面积1846 km2，为Ⅱ单元；支流凤阁岭站控制面积846 km2，为Ⅲ单元；区间未控面积1529 km2，为Ⅳ单元。Ⅰ、Ⅱ单元输入采用马斯京根分段连续演算模型(MSK)Ⅲ、Ⅳ单元输入采用新安江三水源蓄满产流模型(SMS_3)和滞后演算法(LAG_3)，各单元雨量采用面平均雨量，方案计算时段为1 h，输出类型为流量，现将各单元洪水流量过程模拟演算到拓石站控制断面，然后将各个单元的流量过程进行叠加计算，得到拓石站洪水预报过程，方案结构图见图2。

图2 拓石洪水预报方案结构图

2.2 参数率定

根据北道站到拓石站实际洪水传播时间K、计算时间长度Δt以及槽楔蓄系数x计算公式，计算马斯京根法分段连续演算初始参数蓄量常数Ke、分段数Mp、楔蓄系数x，因社棠站至拓石与北道站至拓石站传播时间相似，故采用同一初始参数计算。新安江三水源蓄满产流模型(SMS_3)和滞后演算法(LAG_3)初始参数，按照中国洪水预报系统默认的缺省范围以及类似地区推荐值确定，然后按照上述的方案总体结构和实测洪水过程资料，进行综合调试，依据各模型参数的物理意义及敏感度，进行调参，直到与实测过程拟合最好为止。

3 模拟结果与精度分析

3.1 方案率定结果

根据中国洪水预报系统对拓石站11场次洪水过程模拟，各模型参数选择见表1。各参数基木符合该地区的洪水特性，取值均在合理范围内。

表1 方案模型模型参数表

根据《水文情报预报规范》(GB/T 2482-2008)的规定，用许可误差法、确定性系数对洪峰、时间及洪水过程进行误差评定。洪峰流量按照实测值的20%作为许可误差；峰现时间以3 h作为许可误差。预报项目的等级按合格率大小分为三个等级，甲(DC≥85%)、乙(85%>DC≥70%)、丙(70%>QR≥60%)三等。确定性系数分为：甲(DC>0.9)、乙(0.9≥DC≥0.7)、丙(0.7>DC≥0.5)三等。

按照以上参数和方案，对11次洪水进行评定，方案的综合率定确定性系数为0.808，方案评定等级为乙等。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，11次洪峰合格场次8次，合格率72.7%；11次洪峰出现时间合格场次8次，峰现时间合格率72.7%，洪峰流量、洪峰出现时间评定等级均为乙等。模拟结果见表2。

表2 洪水预报模拟结果评定表

从不合格场次洪水分析来，不合格场次洪水干流北道、渭河北岸支流社棠站、通关河凤阁岭站来水量级并不大，拓石站洪水主要来源于北道站至拓石站区间渭河南岸支流，而这些支流均是直接入渭的山区型河流，缺乏控制站点，导致洪峰量级偏小，在做洪水作业预报时，当降雨主要集中在未控区间时，应适当调高洪峰量级。

3.2 方案检验

方案使用2016年～2018年中拓石站洪峰流量大于550 m3/s的3场洪水进行精度检验。经过计算，精度检验期各次洪水总体确定性系数为0.911，因此确定性系数法检验等级为甲等。各次洪峰流量、峰现时间按照许可误差进行精度检验，合格率均为100%，按照《水文情报预报规范》的规定，该预报方案检验结果为甲等，检验结果表3。

表3 洪水预报模拟结果检验表

4 结论与建议

以渭河拓石站控制流域为研究区，基于中国洪水预报系统，应用MSK与三水源新安江模型建立预报方案，通过对拓石洪水过程进行评定与检验，得出以下结论与建议：

(1)以马斯京根分段连续演算法(MSK)与三水源新安江模型的综合预报模型，在拓石站以上控制流域具有较强适用性，能够较好的模拟洪水过程。

(2)方案评定确定性系数0.808，洪峰流量与峰现时间合格率达72.7%，方案评定等级为乙等；方案检验确定性系数0.911，峰流量与峰现时间合格率达100%，方案检验等级为甲等；根据《水文情报预报规范》的规定，方案综合评定等级为乙等，可以用于发布正式预报。

(3)从不合格场次洪水分析来，当拓石站洪水主要来源于北道站至拓石站区间渭河南岸支流时，因缺乏控制站点，导致模拟洪峰量级偏小，在做洪水预报时，当降雨主要集中在未控区间时，应适当调高洪峰量级。

(4)支流通关河流域中上部几乎没有雨量站点，无法控制该区域的降雨情况，导致模拟的产汇流过程无法完全反应流域真实情况，因此可以考虑在实时洪水预报中加入部分中小河流项目中已建成的雨量站，从而提高预报精度。

(5)在方案构造及方案率定中，由于拓石站建站年份(2003年)较短，且2003年～2005洪水次数较多，但一些站点2003年～2005年雨量资料缺失，受雨量站资料限制，存在一些场次洪水过程拟合度不高，洪峰流量及峰现时间差异较大的现象，给方案的参数调试和检验带来了困难，同时也影响了方案的精度。

(6)目前洪水预报都是以实际发生的洪水进行演算或是依据实时降雨进行产汇流模拟，后期可以探讨考虑加入未来降雨预报的数值预报成果，从而来延长预报精度与预见期。