区间来水大的河段洪峰预报方法探讨

滕培宋

（广西壮族自治区水文中心，南宁 530023）

漓江地处广西主要暴雨区，且区间洪水与桂林水文站以上区域来水多重叠，同时桂林市城区至阳朔县城河段既没有拦蓄洪水的水利工程，也没有大型蓄滞洪区，造成漓江洪水频发，高质量做好阳朔河段洪水预报，对保障阳朔县的经济发展及国内外游客、当地居民的生命财产安全意义重大。阳朔县城河段洪水组成比较复杂，区间面积占比较大，区间来水量对该河段的洪水预警预报影响很大，故对此进行深入研究十分必要。

1 桂江桂林市城区至阳朔河段洪水概况

1.1 流域概况

桂江属珠江流域西江水系，其中阳朔县以上河段又称为漓江，发源于广西兴安县华江乡猫儿山东北面海拔1732 m（黄海基面）的老山界南侧[1]。流域面积18 729 km2，其中桂林市流域面积11 643 km2，河道干流全长450 km，干流平均纵坡降0.41‰，河首弯曲系数1.85，河流继续南流至梧州汇入西江[2]。其中桂林市城区至阳朔县城河段长为75 km，河床比降约为0.1%。中间有集水面积为100～651 km2的黄沙河、涧沙河、潮田河、良丰河、兴坪河、遇龙河等支流汇入。

2.2 气候概况

桂江流域地处广西桂北暴雨区，属湿热的亚热带季风气候。影响桂江流域的强降雨天气系统主要有锋面、切变线、低压、低涡、高空辐合等。流域暴雨天气系统具有一定季节性，一般4～6月为锋面暴雨，往往伴随着高空西风槽和低涡共同作用；6～7月为涡切线，加上流域高大山脉的屏障和抬升作用，使锋面静止或来回摆动[3]。

2.3 洪水组成特征

桂江阳朔河段洪水均为暴雨型洪水，由于桂江流域内暴雨中心大多常出现在华江一带，上下游暴雨同时性差，大洪水一般都由两次或多次降雨形成，洪水上涨快，次洪水变幅大。如2008年6月大洪水，最大涨率达0.66 m/h，次洪涨幅达6.83 m。按桂林水文站以上流域降雨量P桂林站与桂林水文站至阳朔水文站区间降雨量P桂林至阳朔关系划分，阳朔水文站洪水可分为如下几个类型：

（1）暴雨主要集中在桂林水文站以上区域型，P桂林站≥3P桂林至阳朔，P桂林至阳朔≤20 mm。

（2）阳朔水文站以上流域同时降大雨或大暴雨型，20 mm＜P桂林至阳朔＜1.5 P桂林站。

（3）暴雨主要集中在桂林至阳朔区间区域型，P桂林至阳朔≥1.5 P桂林站。

2 预报方案构建

2.1 水文监测站网布置概况

阳朔水文站于1967年3月设立，位于阳朔县阳朔镇木山榨村，集水面积5585 km2，其中桂林水文站至阳朔水文站区间集水面积2823 km2，是桂江中游的控制站。调查最高水位115.55 m，相应流量为8890 m3/s（1885年6月15日），实测最高水位为113.58 m，相应流量为7350 m3/s（2017年7月2日）。区域监测站网布设情况见图1。

图1 河段水系及水文监测站布置示意图

2.2 雨量站取用

将区间分为潮田、良丰、其它3个区域，潮田区域取松江、永同、新寨、彩爵、潮田等5个代表站；良丰区域取头陂、仁和、良丰等3个站；其它取兴垃、龙潭、阳朔、潮田、桂林、良丰、大圩等12个代表站。每块区域先采用算术平均法计算得到相应时段平均降雨量，再用面积权重求得间区面平均降雨量[4]，这些计算过程已经系统化，只须确定计算时段，取桂林水文站洪峰前12 h至桂林水文站峰现时间止，便可输出成果。如2019年6月9日洪水过程面平均降雨量计算，潮田、良丰、其它3个区域降雨量分别为20、25、40.5 mm，则区间为（25×224+20×428+40.5×2 171）/2823=36.2 mm。

2.3 构建方案洪水资料选用

选用2010—2019年阳朔水文站洪峰水位在109.50 m以上及2008、2009年最大洪水，其中桂林水文站出峰后区间再降大暴雨的情况不参与，针对这一情况可另行编制方案，共计12场洪水。洪水过程均为遥测采集，并经过汇编审查，雨洪配套资料可靠，雨洪资料成果见表1。

表1 构建方案选用的雨洪资料

2.4 阳朔水文站预报方案构建

2.4.1 增量叠加回归法

对于暴雨主要集中在桂林水文站以上区域型洪水，采用增量叠加回归法构建方案。经分析，阳朔水文站洪峰流量Q阳朔m主要与桂林水文站洪峰流量、阳朔水文站同时流量等有关，即Q阳朔m=β（Q桂林m-Q起桂林）+Q起阳朔，β为区间降雨量修正系数，取值0.94～1，区间降雨量10 mm以下为0.94，每增加3 mm，β值增加0.01。

2.4.2 动态面积指数法

阳朔水文站以上流域同时降大雨或大暴雨型洪水，采用动态面积指数法构建方案。动态面积指数法的基本原理是水文比拟法，水文比拟法用于推算上、下游站洪峰流量[5]，常用公式为：

式中：Q阳朔m为阳朔水文站洪峰流量，m3/s；Q桂林m桂林水文站洪峰流量，m3/s；F阳朔为阳朔水文站集水面积，m2；F桂林为桂林水文站集水面积，m2；n为区间时段面平均降雨量相关系数，n=∫P区间面平均，随区间面平均降雨量变化而变化，通常采用回定值；P区间面平均为区间面平均降雨量，mm。

对所选雨洪9场洪水逐场分析计算面积指数，采用试错法分析计算，取不同的n值，直至Q桂林m×（F阳朔/F桂林）n=Q阳朔m，此时的n值即为所求，由n与相应的区间面平均降雨量点绘相关图，过点群中心连成相关图（见图2）。

图2 阳朔间区面平均降雨量～动态面积指数相关图

2.4.3 区间降雨量回归法

暴雨主要集中在桂林至阳朔区间区域型洪水，采用区间降雨量回归法构建方案。经分析，此类型洪水阳朔水文站洪峰流量Q阳朔m主要与区间暴雨、阳朔水文站同时流量等有关。即Q阳朔m=（Q桂林m-Q起桂林）+αP区间面平均降雨量+Qt阳朔，α为区间降雨造峰模数，区间面平均降雨量大于等于150 mm时，取值22 mm。

2.4.4 方案检验计算

对建立方案所选用的12场洪水作适用性检验计算，根据区间面平均降雨量查图2，得到对应的面积指数n，代入式（1）式，即可计算得到阳朔洪峰流量，与实测值之差即为计算误差，也就是预报误差。取预见期内流量变幅的20%作为预报允许误差，计算误差小于允许误差，则该次检验预报合格，否则为不合格[6]。对所构建的动态面积指数法洪水预报方案进行检验，结果表明12场洪水预报误差全部在允许误差范围内，洪峰流量预报检验结果见表2。

表2 洪峰流量预报检验结果

2.5 构建阳朔水文站洪水传播时间方案

选择2010—2019年阳朔水文站洪峰水位在109.00 m以上全部洪水资料及相应桂林水文站长洪水资料，逐场统计出阳朔水文站出现洪峰至桂林水文站出现洪峰的时间，分析每场洪水影响传播时间的主要因素，经对比较分析发现，对于区间降雨量主雨时段主要在桂林水文站出现洪峰时已经基本结束类型的情况，其洪水传播时间与桂林水文站和阳朔水文站的洪水量级有关，在此拟构建以桂林洪峰水位、阳朔洪峰水位为参数的经验回归方程式方案。其基本表达式为：

式中：t阳朔为桂林水文站至阳朔水文站洪水传播时间，h；Z桂林m为桂林水文站洪峰水位，m；Z阳朔m为阳朔水文站洪峰水位，m；C为常数。

采用电子表格LINEST函数作回归方程分析，LINEST函数是使用最小二乘法对已知数据进行最佳直线拟合，并返回描述此直线的方程式及参数系数，从而求得洪水传播时间的回归方程式：

用所构建的洪水传播方程式即（3）式对选取的13场洪水传播时间样本进行验算，按《水文情报预报规范》（GB/T 22482-2008）要求，峰现时间以预报根据时间（桂林水文站峰现时间）至实测洪峰出现时间之间时距的30%作为允许误差，当允许误差小于3 h，则以3 h作为允许误差。对所构建的洪水传播时间方案进行检验，结果表明13场洪水的传播时间预报误差全部在允许误差范围内，传播时间预报检验结果见表3。

表3 洪水传播时间预报检验结果

3 预报方案应用

2020年6～7月，桂北地区受低层低涡切变线、偏南急流、冷空气南下等天气影响，造成广西桂北区域强暴雨频发，暴雨区域高度重叠，6～7月间桂江反复出现超警戒洪水，桂江阳朔县城河段短短的35 d内发生3次洪水过程。

3.1 6月6～7日洪水过程

受低层低涡切线影响，桂江流域普降大雨到暴雨，局地大暴雨到特大暴，暴雨中心位于桂林水文站上游，降雨从6月6日18时开始，主雨峰时段为6日20时～7日10时，这次过程主雨区在桂林至阳朔区间，桂林以上面平均降雨量仅为40.7 mm，而桂林至阳朔区间面平均降雨量达162.8 mm，属于典型的暴雨主要集中在桂林至阳朔区间区域型洪水。

参数代入Q阳朔m=（Q桂林m-Q起桂林）+αP区间面平均降雨量+Qt阳朔，即Q阳朔m=（749-707）+22×162.8+1400，计算得阳朔水文站洪峰流量为5020 m3/s。查Z～Q关系曲线得阳朔水文站相应洪峰水位为112.30 m；将各参数代入（3）式，计算得传播时间为11.9 h，即阳朔水文站将于7日22时前后出现112.30 m左右洪峰水位。阳朔水文站实际于7日18时出现112.32 m的洪峰水位。

3.2 7月11～12日洪水过程

受冷暖空气交汇影响，桂江流域暴雨到大暴雨，局地特大暴，暴雨中心位于桂江华江至兴坪之间，降雨从7月11日02时开始，这次过程主雨区在桂林水文站以上，桂林以上面平均降雨量达152.5 mm，而桂林至阳朔区间面平均降雨量仅为26.9 mm，属于典型暴雨主要集中在桂林水文站以上区域型洪水。

参数代入Q阳朔m=β（Q桂林m-Q起桂林）+Q起阳朔，即Q阳朔m=0.98×（2890-468）+309，计算得阳朔水文站洪峰流量为2680 m3/s。查Z～Q关系曲线得阳朔水文站相应洪峰水位为109.10 m；将各参数代入式（3），计算得传播时间为12.4 h，即阳朔水文站将于12日16时前后出现109.10 m左右洪峰水位。阳朔水文站实际于12日15时出现109.17 m的洪峰水位。

3.3 应用预报成效评价

2020年6～7月间，在短短的30多天里，桂江阳朔河段先后发生3次超警戒或接近警戒的洪水，特别是6月6～7日这次洪水过程，阳朔县城区出现了1967年建站以来实测第5大洪水，为近10 a一遇中洪水。在基于新安江及马斯京根汇流的流域模型法，与桂林洪峰、阳朔同时水位、面平均降雨量为参数的回归方程式法等对以往同类型洪水预报成果误差的实况，果断采用本方法的预报成果，及时按区水文局与桂林市水文局、阳朔中心水文站三级联动机制，提前10多个小时发布阳朔县洪水预警预报，并针对西街、兴坪码头等沿江旅游群众密集区域发布定点精准预警服务，为县政府提前转移人员和财物，实现人员零伤亡和财产损失最小化的目标做出突出贡献，得到桂林市领导高度评价。

4 结语

针对区间面积大、主暴雨区变化较多的河段，要取得更高预报精度结果，就必须根据实际洪水组成特征来分别构建不同情况下不同预警预报参数的洪水预报方案，这是提高洪水预报精度的有效途径。