基于分布式水文模型的中小河流洪水預(yù)報技術(shù)研究

孫佳竹

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧鐵嶺 112000)

基于分布式水文模型的中小河流洪水預(yù)報技術(shù)研究

孫佳竹

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧鐵嶺 112000)

中小河流一般位于山丘地區(qū)，洪水匯流時間短，突發(fā)性強，分布廣，預(yù)見期短，因此，中小河流洪水預(yù)報，首要的任務(wù)就是信息預(yù)警及預(yù)報。通過自動預(yù)報實現(xiàn)實時預(yù)警，能夠有效降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率，減少人員及財產(chǎn)損失。本文結(jié)合遼寧省中小河流實際特點，基于分布式水文模型對中小河流洪水預(yù)報技術(shù)進(jìn)行研究，對現(xiàn)階段洪水預(yù)報工作主要難點進(jìn)行分析，科學(xué)構(gòu)建基于洪水預(yù)報的分布式水文模型。

分布式水文模型；中小河流；洪水預(yù)報

我國地處季風(fēng)區(qū)，地質(zhì)地貌南北地區(qū)差異很大。因此，受到人類活動與氣候因素等影響，導(dǎo)致山區(qū)洪水災(zāi)害頻發(fā)，不僅造成了嚴(yán)重的財產(chǎn)損失，而且傷亡人數(shù)逐年增多。在此背景下，中小河流洪水自然災(zāi)害成為現(xiàn)階段制約我國山區(qū)人民經(jīng)濟(jì)社會快速、持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。本文對遼寧省山區(qū)洪水實際特征及區(qū)域地質(zhì)概況等進(jìn)行技術(shù)分析，通過建立科學(xué)的數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)對該區(qū)域中小河流洪水進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測與預(yù)報［1］。

1 中小河流洪水預(yù)報難點

中小河流洪水預(yù)報，最核心的任務(wù)之一就是進(jìn)行預(yù)警?；谛畔⒈O(jiān)測與預(yù)報系統(tǒng)對當(dāng)?shù)亟涤炅考昂恿髁髁窟M(jìn)行分析，可及時、準(zhǔn)確預(yù)報超過洪水發(fā)生的時間及洪水變化情況和洪峰出現(xiàn)時間等。據(jù)此可進(jìn)行信息預(yù)警，及時發(fā)布通知，及時轉(zhuǎn)移人員和財產(chǎn)，盡可能降低損失。

當(dāng)前，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)基本形成。但是，依然處在發(fā)展階段，中小河流的實際特點決定了其防洪預(yù)測方案編制及方案精度評定具有難度，比如，如何采用信息系統(tǒng)加強信息調(diào)度［2］，準(zhǔn)確預(yù)報洪峰值需要技術(shù)人員不斷收集相關(guān)技術(shù)資料進(jìn)行分析。

對于遼寧省而言，在中小河流洪水預(yù)報中存在如下幾方面難點：一是中小河流流域內(nèi)的有關(guān)數(shù)據(jù)資料不全，因此，很難結(jié)合實際區(qū)域洪水特征構(gòu)建科學(xué)的數(shù)據(jù)驅(qū)動預(yù)報模型；二是中小河流洪水具有突發(fā)性及難以預(yù)見性和較大危害性等特征，因此，采用傳統(tǒng)預(yù)報方法很難準(zhǔn)確、科學(xué)預(yù)測中小河流防洪信息；三是中小河流洪水暴發(fā)時間經(jīng)常是夜間，因此，必須以事前監(jiān)測預(yù)控為主進(jìn)行防洪，這為遼寧省洪水預(yù)報工作增加了難度；四是目前沒有形成統(tǒng)一的中小河流洪水預(yù)報技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致中小河流洪水預(yù)報方案的精度和實效性難以得到保證。

2 中小河流洪水預(yù)報中分布式水文模型構(gòu)建條件

中小河流較為分散，因此，考慮到遼寧省中小河流的實際特點，本文設(shè)想構(gòu)建一種分布式水文模型對中小河流洪水進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報。

2.1 需要科學(xué)收集一定數(shù)據(jù)資料

在構(gòu)建分布式水文模型時，最為核心的工作環(huán)節(jié)，是對當(dāng)?shù)赝寥李愋?、土地綜合利用情況和中小河流流域面積及當(dāng)?shù)氐匦蔚孛病⒌匦纹露?、DEM數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行收集。

2.2 需要對相關(guān)情況進(jìn)行分析

對中小河流水位以及當(dāng)?shù)亟涤炅?、大斷面資料及水位流量關(guān)系線等相關(guān)情況進(jìn)行分析，通過實地調(diào)研與數(shù)據(jù)分析，最終大致了解當(dāng)?shù)刂行『恿鲾嗝媲闆r，并結(jié)合河道行洪能力制定科學(xué)的河道防洪技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等。在此資料收集與分析基礎(chǔ)上，需要對洪水日資料以及降雨日資料等進(jìn)行分析，通過數(shù)據(jù)總結(jié)對比，最終形成科學(xué)的流域降雨徑流關(guān)系以及產(chǎn)匯流特征參數(shù)等［3］。

2.3 需要確定流域洪水匯流時間

準(zhǔn)確的匯流時間是確保中小河流洪水預(yù)報分布式水文模型構(gòu)建的基礎(chǔ)。由于遼寧省水情遙測站的歷史水文數(shù)據(jù)資料較為缺乏，因此，在確定中小河流匯流時間時，應(yīng)結(jié)合經(jīng)驗匯流速度公式及暴雨洪水響應(yīng)關(guān)系的地區(qū)規(guī)律等進(jìn)行分析計算。具體計算公式為

式中 L——小河流主河道長度，m；

J——小河流主河道比降；

Qm——設(shè)計洪峰流量，m3/s。

上述匯流參數(shù)可由遼寧省《水文手冊》查出，通過對谷歌地圖及高比例尺地形圖進(jìn)行查算可得到河道比降及流域主河道實際長度；在遼寧省中小河流洪水預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)中，可以調(diào)取設(shè)計洪峰流量值等，同時，這一特定值也可通過斷面水位—流量關(guān)系線及洪水警戒流量進(jìn)行查詢。

2.4 需要選擇適當(dāng)?shù)姆治龇椒?/p>

需要科學(xué)選擇適用的中小河流洪水預(yù)報模型與適當(dāng)?shù)姆治龇椒?。本文結(jié)合遼寧省中小河流實際特點，對于匯流時間在1h以下的流域，采用臨界雨量預(yù)警方式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。與此同時，科學(xué)構(gòu)建基于分布式的臨界雨量預(yù)警模型，臨界量采用前期影響雨量的兩大因素和降雨量指標(biāo)，結(jié)果采用土壤飽和度進(jìn)行表示。本文在模型構(gòu)建中，臨界雨量通過分析確定的時段分別設(shè)為30min、1h、3h和6h。

此外，中小河流如果建有水庫，則采用基于分布式模型進(jìn)行洪水預(yù)報分析時，還應(yīng)該綜合考慮水庫的調(diào)蓄影響。通過增加水庫的入庫和出庫流量預(yù)報節(jié)點，構(gòu)建水庫調(diào)度模塊及入庫洪水預(yù)報模塊［4］。

3 中小河流洪水預(yù)報中分布式水文模型構(gòu)建

本文結(jié)合遼寧省中小河流經(jīng)常發(fā)生在夜間而且洪水突發(fā)性強等特點，著力構(gòu)建基于分布式水文模型的實時自動預(yù)報信息系統(tǒng)。通常情況下，借鑒國外相關(guān)成功實例以及浙江錢塘江大水的準(zhǔn)確預(yù)報范例，本文構(gòu)建的分布式水文模型，主要分為空間信息處理以及分布式水文模擬及模型輸入和模型輸出四個不同模塊。

在構(gòu)建思路方面，主要通過三個流程進(jìn)行建模。

a.采用DEM技術(shù)自動生成數(shù)字流域，并在每個子流域中應(yīng)用現(xiàn)有的概念性集總模型對中小河流徑流進(jìn)行推算，然后采用地貌單位線法進(jìn)行匯流演算，最終計算得出中小河流的斷面流量。這一分布式水文模型又稱松散性耦合模型。

b.基于DEM技術(shù)對遼寧省地形空間變化信息等進(jìn)行測算，結(jié)合地形指數(shù)信息，對當(dāng)?shù)厮沫h(huán)境特性進(jìn)行模擬。在此基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計學(xué)方法對中小河流斷面流量進(jìn)行計算。

c.基于DEM技術(shù)對中小河流流域的網(wǎng)格單元進(jìn)行合理劃分，采用數(shù)值分析方法建立相鄰網(wǎng)格單元的時空關(guān)系。在此過程中，采用分布式水文模型對遼寧省中小河流流域進(jìn)行洪水預(yù)報，分別需要采用高精度數(shù)字高程模型DEN自動生成包括匯流拓?fù)潢P(guān)系以及子流域單元和水系及流向等在內(nèi)的數(shù)字流域，并在每個流域中采用超滲產(chǎn)流及蓄滿產(chǎn)流模型，對中小河流的徑流進(jìn)行推求。同時，也可以采用馬斯京根及等流時線等進(jìn)行匯流演算，最后科學(xué)得到中小河流每個子網(wǎng)格或子流域出口斷面的洪水預(yù)報數(shù)據(jù)［5］。

與此同時，可以基于分布式水文TOPKAPI模型，通過當(dāng)?shù)乩走_(dá)測雨及雨量站網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)，在模型中輸入降雨量。此模型可以集產(chǎn)匯流與數(shù)據(jù)計算為一體，基于數(shù)字高程模型，自動生成每個網(wǎng)格中水滴流達(dá)流域出口斷面的實際匯流路徑；沿著流水網(wǎng)，模型通過三個結(jié)構(gòu)上相似的非線性水庫方程，就可對每個網(wǎng)格內(nèi)降雨—徑流過程中的不同水文水力運行過程進(jìn)行描述。

4 基于分布式水文模型的遼寧中小河流洪水預(yù)報

遼寧省中小河流眾多，全省流域面積在100km2以上的中小河流大約有400多條，渾江、大凌河及大遼河、太子河等為幾條主要河流。本文以大遼河流域為研究對象，基于分布式水文TOPKAPI模型對此流域內(nèi)的地理信息資料以及土壤和數(shù)字高程、植被類型及土地利用情況、河流流量、水文氣象資料、降雨等數(shù)據(jù)資料進(jìn)行收集［6］。

此次分析數(shù)據(jù)資料的收集，采用1∶250000的比例從全國數(shù)字高程數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)數(shù)據(jù)資料；土壤數(shù)據(jù)資料通過FAO-UNESCO以及原始比例尺為1∶5000000的數(shù)字地圖提供。此次模型分析數(shù)據(jù)測量精度為1km的網(wǎng)格，模型分析數(shù)據(jù)指標(biāo)分類按照USGS標(biāo)準(zhǔn)，將水文模型中的土地類型分為灌木、混合林、城市用地及凍土地帶等24種，在此基礎(chǔ)上，采用地理信息系統(tǒng)軟件MapWindow，對遼寧省遼河流域1km尺度上的數(shù)字高程及USGS土地利用分類資料、FAO土壤分類資料等進(jìn)行科學(xué)提取，最終通過DEM模型進(jìn)行科學(xué)模擬，以此自動生成該中小河流流域水系。

此外，以基于分布式水文模型對該中小河流洪水預(yù)報情況進(jìn)行計算，結(jié)合遼寧省1989—1999年汛期4—10月數(shù)據(jù)資料和水情遙測站的相關(guān)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析計算，采用TOPKAPI模型科學(xué)驗證遼寧省水情遙測站1998—2003年汛期數(shù)據(jù)資料，網(wǎng)格長度和時間步長分別為1h和500m，對網(wǎng)格內(nèi)的實際降雨量采用加權(quán)平均法進(jìn)行［7］。因該區(qū)域內(nèi)缺乏氣溫觀測站，因此，采用ISD數(shù)據(jù)內(nèi)插法，對大遼河流域內(nèi)各網(wǎng)格的溫度值進(jìn)行計算分析，見下表。

Study on Flood Forecasting Technologies in Medium and Small Rivers Based on Distributed Hydrologic Model

SUN Jiazhu
（Liaoning Tieling Hydrographic Office，Tieling 112000，China）

Medium and small rivers are usually located in hilly area which flood with short concentration time,strong abruptness,widespread and short forecast period,therefore,the primary task of flood forecasting for medium and small rivers is information prewarning and forecast.Through autonomic forecast to realize actual-time early warning,it can validly reduce ratio probability of geological hazard and staff and property damage.By combining with actual characteristics of medium and small rivers in Liaoning Province,this article digs into flood prevention technologies in medium and small rivers based on distributed hydrologic model,analyzes key difficulties regarding flood forecasting in the current phase and scientifically constructs a distributed hydrologic model based on flood forecasting.

distributed hydrologic model;medium and small rivers;flood forecasting

P338.6

A

1673-8241（2016）12-0054-03

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.12.014