百色市中小流域洪水预警预报方法与应用

黄定谋

（百色水文中心，广西 百色 533000）

1 概况

百色市位于广西西部，地处云贵高原东缘，区域内山岳连绵，河流密布，从多河流原出高山峡谷，河床深切，滩多水急，落差大，是典型的中小流域地区。2012 年以后百色水文中心在辖区内新设立了70 个水文（位）站，用于监测中小流域水情变化情况。通过水文（位）站实测资料统计百色市每年中小流域发生较大洪水有20多场，其中接近或者超过警戒水位的有5 场。建立中小流域洪水预警预报方法，是防洪减灾指挥决策提供参考依据，提前转移人员和财产，最大程度避免人员伤亡，减轻灾害损失。

2 中小流域洪水预警预报方法

中小流域洪水具有突发性强、产流快、汇流时间短、暴涨暴落等特点，因此必须对中小流域洪水及时作出预警预报，才能为当地防洪减灾决策提供及时的参考依据。中小流域洪水预警预报主要是通过实测水位，实测降雨量和预报未来降雨量，利用预警预报方法分析出洪峰大小、发生时间以及是否超过河流设定的警戒水位，并及时将预警信息向社会公布。中小流域预警预报的方法有很多，比如集总式水文模型、分布式水文模型等等。百色市中小河流预警预报主要采用多元回归分析法、涨率分析法、新安江模型。通过多种方法分析和对比建立的洪水预警预报方案。可有效延长洪水预警预报预见期和提高预警预报精度。

（1）多元回归分析法。自然界中的许多变量在变化过程中相互之间存在着一定的联系。通过对大量实测数据的处理来研究自变量和因变量之间的关系，以确定由该两个变量所决定的曲线和最佳拟合参数。由一组随机变量来估计或者预测另外一个随机变量的期望值时建立的模型及所做的统计分析，叫回归分析。研究发现影响中小流域洪水主要因素是次洪面降雨量，降雨历时、起涨水位和同时水位等要素，通过对次洪面降雨量、降雨历时、起涨水位、同时水位与洪峰水位等多因素分析，建立Z峰～（P面、T历、Z起、Z同）多元回归方程。目前百色水文中心在辖区内70 多个中小河流水文（位）站全部建有回归方程，在建方案过程中如果采用的样本比较少、岩溶地区和受水利工程影响时，方案率定的误差大，就需要对方案的合理性进行分析。分析水位是否随着雨量增大而增大；相同的雨量，起涨水位低，洪峰水位是否低等问题。

（2）涨率分析法。假设洪峰水位随时间变化，呈二次函数关系，通过分析研究洪水过程解析函数，探讨其微分求导后的数量规律和物理含义，构建洪水预警预报监控应用数学模型，即洪水水位过程线可概化表示为抛物线（二次函数）型的数学模型，对其求导之后即可得线性的涨率关系。因此实际的洪水过程线存在如下特征：水位起涨—涨率加速阶段（斜率为正）—加速度为0，涨率出现极值（拐点）—涨率减速阶段（斜率为负）—涨率为0（洪峰）。在实际应用中，通过分析研究流域主雨峰与最大涨率、洪峰出现时间之间的特性来进行预警预报。

（3）新安江模型。利用水利部水文局开发的中国洪水预报系统（NFFS）用于流域水文模型方案的构建，该系统已地理信息系统为平台，建立了常用的，模块化的预报模型和方法库，可以进行多模型、多方案对比分析。百色中小河流均采用新安江模型建立方案，但新安江模型未专门考虑地表坑洼、农业活动和水利工程引起的截流，而百色中小河流流域内都有一些水田、塘、坝和中小型水电站，在这些影响较大的流域，不考虑地表坑洼截流会引起很大的误差。特别是岩溶地区，受其影响，会引起较大的误差。

3 实例应用

百色市田林县者苗水文站位于田林县者苗乡平封村，建于2015年，流域面积413 km2。流域境内有者苗、六恒、者化等11 个雨量站。警戒水位316.50 m。以2020 年6 月5 日洪水情况为例，该次洪水流域内降雨情况见表1，6 月4 日21：00 起涨水位为321.49 m，23：00水位为312.57 m，6月5日02：30 出现316.94 m 的洪峰水位，超警（警戒水位316.50 m）0.44 m。

表1 2020年6月4日～6月5日者苗水文站流域内降雨统计表mm

3.1 多元回归分析法

（1）方案制作。利用电Excel内部函数linest的回归分析功能可以简化大量的数据运算和误差分析过程，又可以利用Excel 强大的图表功能绘制曲线。收集者苗水文站2015—2019 年25 场洪水，未出现超警洪水。通过对次洪面降雨量、降雨历时、起涨水位、同时水位与洪峰水位等多因素分析，建立回归方程为：Z峰=26.323+0.052×P-0.19 582×T+0.504×Z起+0.414×Z同（其中Z峰为洪峰水位；P为3 h最大面平均雨量；T为从起始降雨量至最大3 h降雨止（小时雨量小于2 mm 累计雨量）；Z起为洪峰起涨水位；Z同为出现最大3 h降雨量止时的水位）。该方案计算洪峰水位误差在0.5 m 以内的有18 场，洪峰水位误差在0.5 m 以上的有7 场，方案合格率为72.0%。

（2）方案应用。经查询及计算6 月4 日21：00者苗水文站面平均雨量为12.2 mm；22：00面平均降雨量为39.3 mm；23：00 面平均降雨量为15.4 mm。3 h 累计最大面平均雨量为66.8 mm，22：00 洪峰起涨水位为312.49 m，3 h累计最大面平均雨量出现的水位为312.57 m，代入建立好的回归方程，计算得预测洪峰水位为316.10 m，接近警戒水位。

3.2 涨率分析法

2020年6月5日01：00水位为313.73 m，设为出现最大涨率拐点，根据者苗水文站洪水特性统计分析，最大涨率至峰现时间采用1～4 h，在洪峰水位计算机洪峰预报中的洪峰时间假定为5 日03：00，涨率从01：00的0.85 m/h降低为0，每小时水位的涨率衰减为0.28 m/h，水位仍上涨0.9 m 左右，计算出洪峰水位314.63 m左右，离警戒水位较远。6月5日02：00水位信息更新后为315.54 m，再次滚动分析，水位涨率从02：00 的1.81 m/h 降低为0，按4 h 到峰进行分析，每小时的水位涨率衰减为0.45 m/h，水位仍上涨1.8 m 左右，预测洪峰水位约为317.30 m，超警戒水位。

3.3 新安江模型

（1）方案制作与率定。采用中国洪水预报系统（NFFS）建立者苗水文站预报方案有1个方案输入，区间采用蓄满产流模型（SMS_3）和滞后演算模型（LAG_3）进行河道产汇流计算，断面率定参数采用2018—2019年洪水摘录资料，首先固定模型其他参数，通过水量平衡，率定出流域蒸散发折算系数K值，最后使用率定的流域蒸散发折算系数K值，率定模型其他参数，获得总体过程模拟确定系数0.861，达到乙级标准。率定成果图见图1。

图1 者面水文站参数率定成果图

（2）方案应用。根据气象预报，未来2天，我市北部将有一次强降雨过程，通过获取预见期降雨量，利用率定好的洪水预报方案，6月4日20：00，预见者苗水文站6 月5 日02：00 出现最大洪峰流量614 m3/s，通过者苗水文站的水位流量关系反查流量对应的洪峰水位为316.46 m。

3.4 预警预报结果比较

3 种预警预测方法计算洪峰水位均接近警戒水位（见表2）。由表2 可知，多元回归分析法结果误差最大，涨率分析法次之，新安江模型结果误差。采用多元回归分析法进行预警预报，洪峰水位和洪峰时间误差比较大，导致计算洪峰水位偏小的原因是精度受方案采用样本数少和方案代表性不好，同时未考虑强降雨区域与洪峰出现时间的关系；采用涨率分析法计算洪峰出现时间误差比较大，断面的预见期主要由主雨峰的空间分布决定，因此需对分析断面的汇流时间进行分析，根据降雨在流域上分布，有针对性地采用不同的时段长进行计算，可更有效提高分析研判成果的精度；采用新安江模型进行预警预报前提是方案参数率定的精度满足规范要求，预见期的雨量必须要精准。

表2 3种预警预报方法结果比较

4 结语

多元回归分析法、涨率分析法和中国洪水预报系统（NFFS）新安江模型均能用于中小流域预警预报。要提高预警预报精度，采用多元回归分析法必须多收集样本资料和有代表性的方案；采用涨率分析法也需要多收集样本资料，根据降雨在流域上分布，有针对性地采用不同的时段长进行计算，提高分析研判成果的精度；采用中国洪水预报系统（NFFS）新安江模型法在方案构建、率定、检验时，资料数据要准确，只有方案达到一定的精度时，通过获得降雨数值预报，能有效延长洪水预警预报的预见期和提高预报精度。