無(wú)資料地區(qū)中小河流洪水預(yù)報(bào)方案構(gòu)建

朱雪梅

（柳州市水文水資源局，廣西 柳州 545001）

無(wú)資料地區(qū)中小河流洪水預(yù)報(bào)方案構(gòu)建

朱雪梅

（柳州市水文水資源局，廣西 柳州 545001）

針對(duì)中小河流地區(qū)新建水文站缺乏實(shí)測(cè)及調(diào)查的水文資料，無(wú)法建立預(yù)報(bào)方案，水文預(yù)警預(yù)報(bào)工作限于被動(dòng)局面的問(wèn)題。以廣西富樂(lè)水文站為例，采用瞬時(shí)單位線法構(gòu)建洪水預(yù)報(bào)方案，經(jīng)成果驗(yàn)證：該方法對(duì)中洪以上洪水的預(yù)報(bào)成果較理想，可應(yīng)用于其它新建水文站中小河流地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)，對(duì)于提高中小河流防洪減災(zāi)能力具有現(xiàn)實(shí)意義。

無(wú)資料地區(qū)；中小河流；洪水預(yù)報(bào)

柳州市的中小河流點(diǎn)多面廣、源短流急、洪水暴漲暴落，許多中小河流沿岸的縣城、重要集鎮(zhèn)防洪標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，有的甚至沒(méi)有設(shè)防。近年來(lái)，受異常天氣系統(tǒng)、中小河流不合理開(kāi)發(fā)等因素影響，中小河流暴雨洪水頻發(fā)，成災(zāi)嚴(yán)重。2011年，柳州水文局開(kāi)始實(shí)施中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，截止2015年底，已完成8個(gè)水文站，26個(gè)水位站，90個(gè)雨量站的建設(shè)并投入使用中。此中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的完成，填補(bǔ)了柳州中小河流水文信息在防汛決策中的空白，大大提高了中小河流的水文預(yù)警預(yù)報(bào)能力。但新建水文站中小河流地區(qū)，由于缺乏實(shí)測(cè)及調(diào)查的水文資料，無(wú)法建立預(yù)報(bào)方案，水文預(yù)警預(yù)報(bào)工作限于被動(dòng)的局面。為此，筆者擬利用瞬時(shí)單位線法構(gòu)建無(wú)資料地區(qū)中小河流洪水預(yù)報(bào)方案，供缺乏水文資料的中小河流防洪減災(zāi)決策參考。

1 瞬時(shí)單位線法

1.1 定義

單位時(shí)間內(nèi)流域上均勻分布的單位凈雨量在流域出口斷面處形成的地面徑流量過(guò)程線，簡(jiǎn)稱單位線，記為UH。單位凈雨量通常取雨深10mm；單位歷時(shí)可以是一個(gè)時(shí)段如1、3、6h等，也可以是瞬時(shí)，即凈雨歷時(shí)趨于無(wú)限小的情況。相應(yīng)于前者的單位線稱為時(shí)段單位線，相應(yīng)于后者的稱為瞬時(shí)單位線。

瞬時(shí)單位線記為IUH。應(yīng)用較廣的是納須的IUH模型，納須把流域匯流的調(diào)蓄作用模擬為n個(gè)相同的線性串聯(lián)水庫(kù)，推導(dǎo)出的IUH的理論公式是：

式中：u（O，t）——t時(shí)刻瞬時(shí)單位線縱高；

?！が敽瘮?shù)；

n——相當(dāng)于線性水庫(kù)的個(gè)數(shù)（調(diào)節(jié)次數(shù)或調(diào)節(jié)系數(shù)）；

K——自然庫(kù)線性蓄洪方程的匯流歷時(shí)（反映流域匯流時(shí)間參數(shù)或調(diào)蓄系數(shù)）；

e——自然對(duì)數(shù)的底；

t——時(shí)刻。

由以上公式可知，決定瞬時(shí)單位線的參數(shù)為n，K兩參數(shù)，只要n，K確定，瞬時(shí)單位線的值即可求出。

1.2 凈雨過(guò)程的推求

瞬時(shí)單位線的計(jì)算核心為凈雨過(guò)程的推求。凈雨過(guò)程的確定采用初損和平均扣損法。時(shí)段降雨量的計(jì)算采用算術(shù)平均法。一般把起漲點(diǎn)以前的降雨作為初損Io扣除，以后的降雨則考慮水量平衡，減去平均入滲。如果部分雨強(qiáng)小于f時(shí)則采用多次扣損，直至水量平衡為止。f為產(chǎn)流期平均入滲率，系根據(jù)瞬時(shí)單位線法匯流計(jì)算的要求進(jìn)行分析，求取時(shí)把起漲點(diǎn)以前的降雨視為初損Io扣除，漲點(diǎn)以后的降雨，視雨強(qiáng)大小，當(dāng)雨強(qiáng)大于f時(shí)稱為產(chǎn)流期降雨，當(dāng)雨強(qiáng)小于f時(shí)稱為不產(chǎn)流降雨。

1.3 資料準(zhǔn)備

推求一個(gè)特定河流的匯流單位線需要準(zhǔn)備所分析河流的流域面積，河道比降等資料。流域面積：可根據(jù)預(yù)報(bào)橫斷面所在位置，可在1/50 000地形圖上勾繪，用電子數(shù)字求積儀量計(jì)或在CAD上勾畫(huà)出流域面積。目前河湖普查已經(jīng)有詳細(xì)成果，可直接應(yīng)用，有時(shí)量算出斷面以下部分，只需用全面積減去下游部分即可。每個(gè)斷面至少量計(jì)3次，各次誤差在5％以內(nèi)時(shí)，取其算術(shù)平均值為最后采用值，單位為km2。

河道比降：是反映河道高程沿河長(zhǎng)平均變化況情，是指自從分析斷面起至分水嶺止河道干流平均坡降（見(jiàn)圖1）。根據(jù)沿程地形變化的特征點(diǎn)高程，按下式采用加權(quán)平均法計(jì)算：

圖1 河道比降計(jì)算示意圖

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 富樂(lè)水文站簡(jiǎn)介

富樂(lè)水文站屬省級(jí)重要水文站，是珠江流域西江水系浪溪河的唯一控制站，位于柳州市融安縣大將鄉(xiāng)富樂(lè)村浪溪河河段左岸，地理位置為東經(jīng)109°35′，北緯 25°17′，集水面積 623km2，平均坡降2.62‰。浪溪河，融江支流，因河床陡，灘多水急浪大而得名。發(fā)源于融安縣板欖鎮(zhèn)東嶺村的翁古頂，西南流經(jīng)融安縣內(nèi)的板欖、大將、長(zhǎng)安等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在長(zhǎng)安鎮(zhèn)江口村匯入融江。浪溪河沿河兩岸為山嶺連綿的低山丘陵地區(qū)。廣福頂山脈呈人字形向北邊、東邊地界展開(kāi)，為高程800m以上的中山地帶，南側(cè)和西側(cè)逐漸下降為高程500m左右的山丘陵，浪溪河位于西側(cè)中下游，地勢(shì)降到高程200m以下，南方暖濕氣流，因地勢(shì)抬升，易于成云致雨。流域溫暖潮濕，森林植被茂盛。

2.2 匯流單位線計(jì)算

查《廣西暴雨徑流查算圖表》[1]可知浪溪河富樂(lè)水文站：產(chǎn)流分區(qū)屬第2區(qū)，匯流分區(qū)屬第一（2）區(qū)但在第一（1）區(qū)附近，雨型分區(qū)屬第1區(qū)，下墊面分區(qū)屬丘陵區(qū)，退水分區(qū)屬2區(qū)，富樂(lè)水文站所在地區(qū)為非巖溶地區(qū)，瞬時(shí)單位線主要參數(shù)m1穩(wěn)、n采用非巖溶地區(qū)計(jì)算公式，即

匯流分區(qū)第一（1）區(qū)：

因富樂(lè)水文站處在匯流分區(qū)第一（2）區(qū)但在第一（1）區(qū)附近，則m1穩(wěn)取第一（1）區(qū)和第一（2）區(qū)的平均值，即m1穩(wěn)=（7.34+5.95）/2=6.65，n采用匯流分區(qū)第一（2）區(qū)公式計(jì)算，即

式中：m1穩(wěn)——單位線匯流參數(shù)；

n——相當(dāng)于線性水庫(kù)的個(gè)數(shù)（調(diào)節(jié)次數(shù)或調(diào)節(jié)系數(shù)）；

K——自然庫(kù)線性蓄洪方程的匯流歷時(shí)（反映流域匯流時(shí)間參數(shù)或調(diào)蓄系數(shù)）；

C——匯流速度；

F——流域面積，km2；

J——河道比降；

△t——時(shí)段長(zhǎng)。

S曲線可查《廣西壯族自治區(qū)暴雨徑流查算圖表》[1]附錄表5：先確定t/K，然后根據(jù)n從表中讀出S（t）值，將S（t）錯(cuò)后一個(gè)時(shí)段相減，即得無(wú)因次單位線u（△t、t），再乘以F/△t×3.6即得流量為單位的時(shí)段單位線q（△t，t），富樂(lè)水文站匯流單位線見(jiàn)圖2。

圖2 富樂(lè)水文站匯流單位線

2.3 凈雨計(jì)算（以“2013.6”暴雨洪水為例）

2.3.1 降雨過(guò)程摘錄

2013年6月8日5時(shí)～6月10日11時(shí)，浪溪河流域普降中到大雨，局部暴雨到大暴雨，暴雨中心位于浪溪河流域的下游，累積最大降雨量大坡站232.5mm，強(qiáng)降雨主要集中在6月9日5時(shí)-15時(shí)，是富樂(lè)站“2013.6”暴雨洪水的造峰雨。取浪溪河富樂(lè)站以上雅瑤、板欖、沙木田、中村、車(chē)平、東嶺、里當(dāng)、富樂(lè)共8個(gè)雨量站的算術(shù)平均作為浪溪河面平均降雨量。浪溪河流域6月9日5時(shí)-15時(shí)降雨過(guò)程見(jiàn)表1。

表1 浪溪河流域各站點(diǎn)6月9日5時(shí)-15時(shí)降雨過(guò)程摘錄

2.3.2 時(shí)段凈雨過(guò)程

依據(jù)富樂(lè)水文站所在地屬于第2產(chǎn)流區(qū)，查降雨徑流相關(guān)特征參數(shù)綜合表得Wm=100mm，K=0.93。土壤前期含水量W0=KWm=0.93×100=93mm，則土壤前期缺水量I0=100-93=7mm。根據(jù)浪溪河流域下墊面條件，取產(chǎn)流期平均入滲率為7mm/h。則時(shí)段凈雨量=時(shí)段降雨量-前期缺水量-產(chǎn)流期平均入滲率。富樂(lè)水文站“2013.6”強(qiáng)降雨時(shí)段凈雨過(guò)程見(jiàn)表2。

表2 富樂(lè)水文站“2013.6”強(qiáng)降雨時(shí)段（6月9日）凈雨過(guò)程計(jì)算 mm

2.4 地表徑流過(guò)程計(jì)算

2.5 地下徑流過(guò)程計(jì)算[1]

（1）地下徑流過(guò)程的起漲部分采用三角形分配，退水部分則根據(jù)退水曲線公式推算。地下水峰值置于計(jì)算得的地表徑流基本結(jié)束附近；

（2）富樂(lè)水文站所在地退水分區(qū)屬2區(qū)，查退水指數(shù)a1、a2分區(qū)綜合表，結(jié)合富樂(lè)站歷年分析資料，取a1＝0.35，a2=0.16，t′=24.7×a1^（-1.06）=24.7×0.35^（-1.06）=75.2h=3.1d。

2.6 洪水過(guò)程計(jì)算

洪水過(guò)程=地表徑流過(guò)程+地下徑流過(guò)程?！?013.6”暴雨洪水過(guò)程計(jì)算成果與實(shí)際洪水過(guò)程對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 “2013.6”暴雨洪水過(guò)程對(duì)比圖

從洪水過(guò)程計(jì)算成果可知，富樂(lè)水文站2013年6月9日17時(shí)出現(xiàn)洪峰流量為741m3/s，由演算的洪峰流量741m3/s查Z～Q曲線得洪峰水位為156.68m；實(shí)際洪水過(guò)程是2013年6月9日16：15出現(xiàn)洪峰水位156.78m，相應(yīng)流量為765m3/s。洪峰流量?jī)H相差24.0m3/s，洪峰水位僅相差10cm，洪水預(yù)見(jiàn)期2h，預(yù)報(bào)成果較好。從圖3可可看出：洪水預(yù)報(bào)的漲水過(guò)程與實(shí)際漲水過(guò)程比較吻合；洪水預(yù)報(bào)的峰后洪量偏小較多，原因是6月9日16時(shí)至6月10日11時(shí)，還有27.9mm的累計(jì)降雨過(guò)程，因此實(shí)際退水過(guò)程比推算的退水過(guò)程緩慢，峰后洪量偏小。

2.7 預(yù)報(bào)成果的評(píng)定

根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》SL250-2000規(guī)定[2]，河道流量（水位）預(yù)報(bào)以預(yù)見(jiàn)期內(nèi)變幅的20％作為許可誤差。當(dāng)流量許可誤差小于實(shí)測(cè)值的5％時(shí)，取流量實(shí)測(cè)值的5％作為許可誤差。當(dāng)水位許可誤差小于實(shí)則洪峰流量的5％所相應(yīng)的水位幅度值或小于0.1m時(shí)，則以該值作為許可誤差。峰現(xiàn)時(shí)間預(yù)報(bào)許可誤差是以預(yù)報(bào)根據(jù)時(shí)間至實(shí)測(cè)洪峰出現(xiàn)時(shí)間之間時(shí)距的30％計(jì)算，當(dāng)許可誤差小于3h或一個(gè)計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)時(shí)，則以3h或一個(gè)時(shí)段長(zhǎng)為許可誤差。

富樂(lè)站的洪水預(yù)報(bào)成果按上述規(guī)定進(jìn)行評(píng)定。從洪水過(guò)程計(jì)算成果可知，本次預(yù)報(bào)洪峰流量預(yù)報(bào)誤差24m3/s，允許誤差是38.3m3/s；洪峰水位預(yù)報(bào)誤差是0.1m，允許誤差是0.71m；峰現(xiàn)誤差是0.75h，允許誤差是3h，預(yù)報(bào)成果合格。

2.8 預(yù)報(bào)方案檢驗(yàn)

方案檢驗(yàn)采用2011～2015年共3場(chǎng)中洪以上洪水進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)期洪峰水位合格3場(chǎng)，合格率100％；峰現(xiàn)時(shí)間合格3場(chǎng)，合格率100％；預(yù)見(jiàn)期2～5h，可用于洪水預(yù)報(bào)作業(yè)。

3 結(jié)語(yǔ)

瞬時(shí)單位線法主要是由暴雨過(guò)程推求流量過(guò)程，僅適用于流域面積小于1 000km2的中小河流域的洪水計(jì)算，是解決無(wú)實(shí)測(cè)水文資料地區(qū)洪水計(jì)算的有效方法，可應(yīng)用于其它新建水文站中小河流地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)，在進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)結(jié)合降雨數(shù)值預(yù)報(bào)、根據(jù)前期降雨及流域下墊面調(diào)查分析土壤最大蓄水量、確定初損與后損，才能提高洪水預(yù)報(bào)的精度與延長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期。新建水文站的中小河流域地區(qū)，應(yīng)加強(qiáng)測(cè)流工作，盡快建立水位～流量關(guān)系曲線，才能預(yù)報(bào)出水位過(guò)程。

[1] 廣西水文總站.廣西壯族自治區(qū)暴雨徑流查算圖表[R].南寧：廣西水文總站，1984.

[2]SL250-2000，水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范[S].

（責(zé)任編輯：周 群）

Set up flood forecasting scheme for middle or small river basin without observation data

ZHU Xue-mei
（Hydrology and Water Resources Bureau of Liuzhou,Liuzhou 545001,China）

For a new hydrological station in a middle or small river basin,it is difficult to set up a forecasting scheme due to shortage of observation data.At the Fule Hydrological Station in Guangxi,instantaneous unit hydrograph method had been adopted to set up the flood forecasting scheme.It was verified by actual measurement that this scheme could lead to rather satisfying forecasting results in case of moderate or bigger flood and should be popularized to the new hydrological stations in middle or small river basins,so as to improve the flood control capability.

Region without observation data;middle and small rivers;flood forecasting

P338

B

1003-1510（2016）04-007-04

2016-01-09

朱雪梅（1980-），女，廣西武宣人，柳州市水文水資源局工程師，學(xué)士，從事水文情報(bào)預(yù)報(bào)工作。