基于大石桥地区山洪预警动态指标确定探析

吴 限

(辽宁省闹德海水库管理局有限责任公司，辽宁 阜新 123000)

1 概 况

大石桥市位于辽东半岛北部，全市总土地面积1600km2，总人口70万人。市辖17个乡镇，行政村234个，自然村378个。在地形上，大石桥市可分为3个区，东部、中部及西部分别为为山地、丘陵和平原区。大石桥市境内共有旗口(建站时间1951年)、黄土岭(建站时间1960年)、汤池(建站时间1959年)、班家堡子(建站时间1961年)、大石桥(建站时间1959年)5处雨量站，境内较大的河流有大辽河、大清河、劳动河、青天河、虎庄河、淤泥河、大旱河等27条天然和人工河流，总长578km，流域面积532.3km2。

根据辽宁省山洪灾害防治规划可知，涉及到大石桥市小流域14条。其中，1级重点防治区有小流域3条，占总面积的0.0012%；2级重点防治区有小流域2条，占总面积的14.51%；上述重点防治区面积占总面积的14.5112%；一般防治区有小流域9条，占总面积的47.74%。

2 山洪灾害情况

大石桥山区经常发生不同程度的山洪，季节性强，经调查，自1953年以来，大石桥市境内发生了多处山洪灾害，累计暴雨洪涝灾害16次，受灾人口5.14万，累计死亡人数14人，受灾总面积6.6hm2，直接经济损失4980万元。

2.1 山洪灾害防治现状

大石桥市山洪灾害共建设40个自动雨量监测站、3个水文巡测站、11个自动水位监测站、16个简易水位监测站，共集成70个监测站点，组成了大石桥市山洪灾害防治雨水情监测站网。每年进入汛期，各级政府及防汛职能部门都要利用多种方式宣传山洪灾害防御知识。

2.2 资料评估与处理

根据辽宁省山洪灾害防治规划的要求，在设计暴雨计算、设计洪水分析、防洪状况评价、预警指标分析等方面进行了分析与评价,都涉及到方法选择问题。而方法的选择，受到工作目标的要求、基础资料可靠性、完整性、一致性、代表性、技术人员的经验和能力、技术实现手段的便捷等因素的综合影响[1-6]。选择适合当地流域自然、地理环境，符合当地流域产、汇流特性的计算方法，最重要的基础工作，就是对现场调查、内外业处理后的资料，从可用性、可靠性、完整性、一致性、代表性等方面进行评价[7]，然后选择适当的方法，对相关数据进行有针对性的分析整理，建立相应的分析计算模型，并进行进一步的工作。

3 模型原理及结果分析

结合水文模型对任意时段T内降雨产生的洪水过程进行推求。

3.1 非线性时变增益模型原理

采用非线性时变增益模型作为水文模型来确定动态临界降雨量，推导出降雨期间的洪水过程：

Y(d,n)=X(d,n)-L(d,n)

(1)

L(d,n)=E(d,n)±△S(d,n)

(2)

式中：X(d,n)为降水的日量，mm；E(d,n)为蒸发日量，mm；n为计算时间尺度；△S(d,n)为流域蓄水增量，mm；Y(d,n)为增益变量；L(d,n)产流损失变量。

3.2 计算产流系数G

计算产流系数G的计算公式为：

(3)

在方程(3)基础上，计算产流量：

R(t)=G(t)X(t)

(4)

在方程(4)中G(t)为表示为产流系数。其计算方程为：

G(t)=g1APIg2

(5)

在方程(5)g1和g2表示为产流增益参数；模型的前期影响雨量计算方程为：

(6)

在方程中U0(σ)表示为响应卷积函数；其汇流计算方程为：

(7)

在方程(7)中U(τ)表示为模型的响应系统函数。

3.3 模型参数设置

根据北方旱区中小河流洪水预报中改进的非线性时变增益模型应用研究[10]，对研究区非线性时变增益模型的初始参数进行了设置。非线性时变增益模型参数设置结果，见表1。

表1 非线性时变增益模型参数设置结果

3.4 模型结果分析

结合大石桥地区9个洪水资料和非线性时变增益模型，对不同时段(1h、3h)的产汇流进行了模拟，并结合水文信息预报准则，分析了产汇流的场次洪水合格率，研究区域产流模拟结果，见表2；研究区域1h的汇流模拟结果，见表3；研究区域3h的汇流模拟结果，见表4。

表2 研究区域产流模拟结果

表3 研究区域1h的汇流模拟结果

表4 研究区域3h的汇流模拟结果

根据区域径流模拟中非线性时变增益模型的合格率，9次洪水产流误差合格率达到100% ，这主要是因为考虑降雨和径流非线性时变径流模型适合小流域径流特性。根据两个时期的模拟结果可以看出，1h 和3h 汇流模拟合格率达到水文情报预报规范的精度，模拟精度较高，这主要是由于非线性时变增益模型采用径流汇流响应函数，建立了适合小流域径流汇流的响应特征方程，在小流域暴雨洪水汇流计算中具有较高的计算精度。

4 预警指标检验

通过非线性时变增益模型的计算，确定了区域降雨与径流的关系，根据降雨量与径流量的关系，建立了不同时期(1h 和3h)的动态临界降雨量及其影响因素，得到了区域山洪暴发预警的动态临界曲线。利用动态临界曲线检验各洪水数据的预警效果。1h临界雨量指标检验，见表5；3h临界雨量指标检验，见表6。为了分析预警指标的客观性和适用性，将预警期定义为洪水上涨期与流量预警值之间的降雨期。通过比较降雨量和预警降雨量，判断是否需要进行山洪预警，并根据实测流量是否达到预警值来检验预警的准确性。

表5 1h临界雨量指标检验

表6 3h临界雨量指标检验

通过对不同时期临界降雨量的测试结果表明，基于非线性时变增益模型的山洪预警精度高于基于传统土壤含水量模型的山洪预警精度。结果表明，降雨临界预警值是由降雨累积值、前期含水量、降雨空间分布和降雨强度等因子综合确定的。基于土壤含水量的预警方法是在土壤含水量充足时，以相应的降雨量作为预警临界值，并以此作为一个固定指标，该方法的局限性在于没有考虑降雨累积对降雨临界预警的影响。当累积降水量接近降水临界值时，易发生假警报，特别是短时暴雨时，预警周期越短，预警精度越高。但是，当降雨时间<3h时，实测洪峰与流量警戒值接近，但由于3h 累积降雨量较低，未必达到降雨警戒临界值。在实践中，应尽可能降低预警的错误率，以提高预警的准确性。

5 结 语

经分析该模型适用于小流域降雨和径流的非线性变化特征，产汇流模拟精度较高，可用于确定小流域降雨的动态临界值，需要将时间间隔降雨量与降雨预警临界值进行比较，综合判断是否需要预警，并结合实测流量和流量预警值检验预警的准确性。为了降低误报率，提高预警精度，预警周期越短，预警精度越高，多因素综合预警应综合分析不同时期的降雨临界值。