麗水市松陰溪流域洪水預報系統(tǒng)研究及調(diào)度應(yīng)用分析

葉方紅，胡兆榮，王 浩，張建平，孫宏巍

（1.浙江省麗水市水文管理中心，浙江 麗水 323000；2.浙江省水文管理中心，浙江 杭州 310009；3.浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002；4.浙江省湖州市環(huán)湖大堤管理所，浙江 湖州 313008）

1 問題的提出

甌江是浙江省第二大河，麗水市松陰溪是甌江主要一級支流，發(fā)源于麗水市遂昌縣垵口鄉(xiāng)北園岙村東面，流經(jīng)遂昌縣、松陽縣、蓮都區(qū)3 個縣（區(qū)），干流全長120.12 km，遂昌縣境內(nèi)長54.14 km，松陽縣境內(nèi)長61.17 km，蓮都區(qū)境內(nèi)長4.81 km，流域面積1 985.02 km2，平均坡降7.96‰[1]。松陰溪水系示意見圖1。

圖1 松陰溪流域水系示意圖

松陰溪主干流未建有大型調(diào)蓄水庫，若松陰溪流域發(fā)生洪水則不可控，嚴重影響下游蓮都區(qū)防汛形勢，尤其對位于麗水市主城區(qū)的開潭水庫調(diào)度影響甚大。因此做好松陰溪流域洪水預報對保護麗水市城區(qū)及下游防洪安全起到至關(guān)重要的作用，進行及時準確的洪水預報、科學合理的調(diào)度運用，能有效地減少棄水量，減輕水資源不足的情況。

2 流域特征及災情分析

松陰溪流域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候。松陰溪流域多年平均降雨量1 648.3 mm，4—10 月降水量占全年的74%，降水年內(nèi)、年際、地域差異比較明顯。松陰溪具有典型的山溪性河流特征，其主要特點如下：

（1）河流縱坡較大，河寬較小，河水流急。流域平均坡降為7.96‰。

（2）洪水暴漲暴落，洪峰水位高、流量大，具有集中快、漲幅大、滯留時間短的特點，易產(chǎn)生洪澇災害。由于山溪性河流，河谷下切很深，河谷兩岸地形陡峻，降雨后水量很快匯集于河槽，滲透損失小，地表徑流大，暴雨后很快形成較高的洪峰。因河流縱坡大，蓄水能力低，水量消退快，河道水位變幅大。松陰溪流域靖居口水文站集雨面積1 857.0 km2，1955 年6 月20 日實測最大洪峰流量達4 250.00 m3/s，2004 年1 月7 日實測最小流量僅為0.35 m3/s；1955年6 月20 日實測最高水位為94.11 m，2012 年10 月21 日實測最低水位為83.38 m，水位變幅達10.73 m。

（3）枯水季流量小。由于降水不均和工農(nóng)業(yè)用水量大，河流縱坡大，蓄滲能力低，枯水季節(jié)河流水量小。

松陰溪流域建有成屏一級、成屏二級、謝村源、梧桐源、東塢等5 座中型水庫，集雨面積范圍為50.0～215.0 km2，庫容范圍為1 250 萬～4 790 萬m3。共有東塢、安民、六都源等11 座?。?）型水庫，集雨面積范圍為0.3～48.7 km2，正常庫容范圍為88 萬～440 萬m3。經(jīng)初步估算，松陰溪流域水庫集雨面積450 km2左右。

中華人民共和國成立以來松陰溪流域發(fā)生的較為嚴重的洪水災害9 次，死亡28 人，損壞房屋2 140 間，淹沒農(nóng)田1.27 萬hm2，直接經(jīng)濟損失達8.7 億元，間接經(jīng)濟損失更加巨大。

3 預警預報方案構(gòu)建

3.1 預警預報方法選擇

松陰溪流域位于我國東部濕潤地區(qū)，雨量充沛，包氣帶缺水量容易被降水滿足，使土壤達到田間持水量而產(chǎn)流。松陰溪多年平均流量56.00 m3/s，多年平均徑流深為951 mm，多年平均徑流系數(shù)為0.58。次洪的徑流系數(shù)更高，一般達0.65 以上。由于地面徑流和壤中流在匯流速度上的差異，從實測流量過程線上呈現(xiàn)漲洪陡于落洪的偏態(tài)型，說明有較豐富的壤中流和地下水，降雨徑流關(guān)系具有蓄滿產(chǎn)流的特點。本方案產(chǎn)流采用降雨徑流經(jīng)驗相關(guān)法，匯流采用單位線法。

3.2 方案構(gòu)建

靖居口水文站設(shè)于1953 年，有連續(xù)完整的水位、流量、蒸發(fā)、懸移質(zhì)輸沙率等水文觀測資料。流域內(nèi)靖居口水文站面上配套雨量站15 個，汛期 4—11 月全部采用自記儀器記錄。此次分析建立降雨徑流預報方案，采用1982—1985年的靖居口站逐日平均流量資料和洪水要素摘錄。挑選分布大致均勻的10 個代表雨量站進行面雨量計算。采用靖居口水文站E601 蒸發(fā)皿觀測資料推求流域蒸散發(fā)能力EM 和蒸散發(fā)量。

在現(xiàn)代水文預報中，雖然大量使用流域水文模型，例如新安江模型、薩克門托模型、水箱模型和陜北模型等進行流域降雨徑流預報。但是，在松陰溪流域，在長期工作實踐中已建立一套適合于當?shù)貙嶋H情況的經(jīng)驗性降雨徑流預報方案。

降雨徑流經(jīng)驗關(guān)系曲線有各種形式，一般有產(chǎn)流量R=f（次雨量P，前期影響雨量Pa，季節(jié)，溫度）[2]、R=f（前期影響雨量Pa，洪水起漲流量Q0）和考慮雨強的超滲式關(guān)系曲線形式。本方案采用國內(nèi)普遍使用的降雨量、前期影響雨量、產(chǎn)流量三者的關(guān)系，即P—Pa—R相關(guān)圖。

Pa也稱前期影響雨量，是反映土壤濕度的參數(shù)。其計算公式為：

式中：Pa，t為t日08:00 的前期降雨指數(shù)；n為影響本次徑流的前期降雨天數(shù)，常取15 d 左右；k 為常系數(shù)，一般可取0.85 左右。

為便于計算，將公式（1）簡化為：

對無雨日：

制作三變數(shù)相關(guān)圖，即按變數(shù)值（Pi，Ri）的相關(guān)點繪于坐標軸上，標明各點的參變量Pa值，根據(jù)參變量的分布規(guī)律以及降雨產(chǎn)流的基本原理，繪制Pa的等值線簇即可（見圖2）。

圖2 靖居口水文站降雨徑流關(guān)系圖

3.3 預報模型

松陰溪靖居口水文站洪水預報方案主要包括流域平均降水量計算、流域初始土壤含水率W0計算、徑流量查算、雨型判別和流域匯流計算等，自靖居口預報系統(tǒng)運行以來，為麗水市城區(qū)開潭水庫防洪調(diào)度發(fā)揮重要作用。

松陰溪流域洪水預報采用新安江三水源蓄滿產(chǎn)流模型，1973 年由河海大學趙人俊教授等完成的國內(nèi)第一個完整的流域水文模型。新安江模型結(jié)構(gòu)設(shè)計分為蒸散發(fā)計算、產(chǎn)流計算、分水源計算和匯流計算4 個層次結(jié)構(gòu)，考慮降水和流域下墊面不均勻的影響。

新安江模型的參數(shù)大多具有明確的物理意義，但由于缺乏實測降雨徑流和試驗過程，在實際應(yīng)用中往往依據(jù)出口斷面的實測流量過程，用系統(tǒng)識別的方法推求。根據(jù)產(chǎn)流模型和蒸發(fā)模型建立程序,在計算機上優(yōu)選參數(shù)，優(yōu)選的單位線UH 值見表1。

表1 單位線UH 值表

3.4 關(guān)鍵技術(shù)原理及應(yīng)用

洪水預報的基本任務(wù)是根據(jù)采集的實時雨量、水位、蒸發(fā)量等，對未來可能發(fā)生的洪峰水位、洪峰流量及洪峰出現(xiàn)時間等內(nèi)容的預測和分析。實時洪水預報誤差修正指對實際洪水有影響的誤差因素進行校正，彌補水文模型的不足。實時修正技術(shù)按修正內(nèi)容劃分，可分為模型誤差、模型參數(shù)、模型輸入、模型狀態(tài)和綜合等5 類。

3.5 洪水預報實時修正技術(shù)改進的關(guān)鍵

實時洪水預報修正技術(shù)的關(guān)鍵是修正信息利用量的擴大和技術(shù)的改進?，F(xiàn)有誤差修正方法存在諸多問題，如物理概念不清晰、損失預見期和使用條件限制等。河海大學司偉、包為民教授等提出一種基于動態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)曲線洪水預報誤差修正新方法，使用最小二乘估計原理，對產(chǎn)流量進行修正，用修正后的產(chǎn)流量重新計算出流過程。該修正方法用王家壩流域進行檢驗，結(jié)果表明預報精度比傳統(tǒng)二階自回歸模型明顯提高。松陰溪流域洪水預報系統(tǒng)采用動態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)曲線修正技術(shù)對實時洪水預報誤差進行修正，以提高洪水預報精度。

3.6 預報誤差分析和提高預報精度方法

用1986—1987 年的實測資料作年徑流深校核計算，成果見表2。

在1986—1987 年中挑選2 次洪水進行洪峰流量計算預報，成果見表3。

表2 校核年徑流深精度統(tǒng)計表

表3 預報洪峰流量誤差統(tǒng)計表

從預報洪峰流量成果得出，吻合基本良好，峰量基本相符，洪峰出現(xiàn)時間與“86051”次洪水相符，比“87041”次洪水則提早1 h，洪峰流量預報預見期為 6 h。

松陰溪洪水預報系統(tǒng)誤差分析和提高預報精度方法：

（1）雨量站的代表性問題。本方案采用10 個雨量站（每站平均控制面積230 km2），加權(quán)平均得出面平均雨量，雨量站代表性直接影響計算精度。以“82081” 洪水為例，將15 站平均雨量59.0 mm 代入計算，誤差明顯減小，符合評定標準?！?3081”洪水15 站計算面雨量為103.6 mm，代入計算誤差減少到-0.3 mm?！?5051”洪水15 站計算面雨量為97.5 mm，代入計算誤差減少到-2.8 mm，符合評定標準。

（2）設(shè)備問題。水雨情遙測設(shè)備在運行中常會遇到各種故障，對洪水預報產(chǎn)生影響。對出現(xiàn)故障的雨量站點數(shù)據(jù)及時進行插補或用鄰近站點替換，以免因為雨量數(shù)據(jù)不準確影響預報精度。

（3）水庫攔蓄影響。中小型水利工程攔蓄對洪水預報影響大，松陰溪靖居口水文站洪水預報應(yīng)考慮上游成屏一級、成屏二級、東塢、安民等中小型水庫（集雨面積450.0 km2左右）和其他水利設(shè)施對次洪徑流計算的影響。麗水市已建立甌江干流洪水預報聯(lián)動工作機制，當啟動應(yīng)急響應(yīng)時，上游相關(guān)水庫單位每3 h 報送總出庫流量，確保預報人員及時掌握上游水庫出庫流量的情況，提高預報精度。

（4）退水曲線的影響。本方案采用綜合退水曲線，由各次洪水的點據(jù)平均而定，用綜合退水曲線分割次洪存在一定誤差，尤其不同季節(jié)的洪水退水規(guī)律有較大差異?，F(xiàn)采用動態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)曲線修正技術(shù)對退水曲線進行修正，以提高洪水預報精度。

（5）簡化水文規(guī)律影響。如產(chǎn)流機理簡化為蓄滿產(chǎn)流，不考慮農(nóng)業(yè)活動影響等，都屬于模型結(jié)構(gòu)誤差。需不斷根據(jù)實際情況對系統(tǒng)參數(shù)進行率定，修正方案，以提升預報系統(tǒng)預報精度。

4 松陰溪流域洪水預報調(diào)度應(yīng)用與效益分析

松陰溪流域洪水預報調(diào)度系統(tǒng)自運行以來，為甌江干流防汛調(diào)度發(fā)揮關(guān)鍵作用。特別是在近幾年的梅雨洪水如2014 年“8·20”洪水，以及2009 年臺風“莫拉克”、2013 年臺風“菲特”、2015 年臺風“蘇迪羅”等影響期間體現(xiàn)其預報及時、精度高的特點。

4.1 洪水預報調(diào)度應(yīng)用

2014 年“8·20”洪水期間，松陰溪流域靖居口水文站出現(xiàn)20 a 一遇的洪水，洪水預報系統(tǒng)在水庫預報調(diào)度中發(fā)揮重要的作用。受持續(xù)強降雨影響，甌江干支流龍泉溪、松陰溪、好溪、浮云溪、宣平溪、小安溪等流域水位全線暴漲。全市主要控制站水位出現(xiàn)超警戒或保證水位。松陰溪流域靖居口水文站8 月20 日08:10 出現(xiàn)最大洪峰水位93.06 m，超保證水位（90.20 m）2.86 m，相應(yīng)洪峰流量3 650 m3/s，水位、流量均列1938 年建站以來第2 位（歷史最高水位94.11 m，最大流量4 250 m3/s，1955 年6 月）。洪水期間，先后多次根據(jù)靖居口水文站實時水雨情對洪水實施滾動預報，并依據(jù)調(diào)度原則，提出多種方案進行比較分析，為水庫科學調(diào)度決策提供可靠的依據(jù)。表4 為2014年“8·20”洪水期間靖居口水文站洪水預報成果。

表4 2014 年“8·20”洪水期間靖居口洪水預報成果表

麗水市防汛抗旱指揮部根據(jù)麗水市水文站對松陰溪流域靖居口斷面的預報成果對大溪主干流緊水灘水庫進行科學調(diào)度，2014 年8 月20 日緊水灘水庫入庫洪水5 138 m3/s，下泄流量363 m3/s，最大削減洪峰4 775 m3/s，削峰率達到93%，錯峰達6 h。由于緊水灘水庫的蓄洪削峰，錯峰調(diào)度作用，使麗水主城區(qū)小水門處洪峰流量降低到20 a 一遇，水位由54.17 m 降低至52.79 m，同時使開潭水庫洪峰流量降低至50 a 一遇，水位由51.60 m 降低至49.63 m。

4.2 洪水預報效益分析

2014 年“8·20”洪水時間長，甌江流域的調(diào)度重點是攔蓄洪水，兼顧上下游，錯峰調(diào)度。通過科學合理預報調(diào)度，發(fā)揮巨大的防洪效益，同時發(fā)電和供水效益顯著。

自投入運行以來，利用該方案共完成洪水預報80 余次，及時準確地預報最高洪峰、峰現(xiàn)時間及洪水總量。根據(jù)洪水預報調(diào)度方案采取“汛期短歷時超蓄、洪前預蓄、洪末攔尾”等實時調(diào)度方式，取得顯著的防洪效益，對緊水灘和開潭水庫的防洪減災及水資源利用有著十分重要的作用。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）洪水預報系統(tǒng)界面簡潔明了、易操作，可直接生成流域過程降雨量，自動計算土壤初始含水率；可根據(jù)實時水雨情作洪水預報，自動生成預測洪水過程，包括洪峰水位、洪峰流量及洪峰出現(xiàn)時間等。

（2）洪水調(diào)度系統(tǒng)可快速完成實時洪水預報、修正預報、假擬降雨洪水預報和多個洪水調(diào)度方案，在防洪搶險的緊急時刻能夠為防洪調(diào)度決策贏得寶貴的時間。以圖表形式將每個調(diào)度方案的預報信息、調(diào)度結(jié)果提供給決策者，各種信息一目了然，為更加科學地進行水庫防洪調(diào)度提供可信的決策依據(jù)和可靠的技術(shù)保障。

（3）對水庫或流域系統(tǒng)，通過洪水預報為防洪科學調(diào)度提供依據(jù)，可以減少洪災損失，提高水資源利用率，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。通過科學調(diào)度，能有效增加全流域的防洪效益，減少災害損失，意義重大。

5 結(jié) 語

松陰溪流域洪水預報調(diào)度系統(tǒng)首次引入模型參數(shù)函數(shù)曲面的線性化率定方法，解決新安江模型參數(shù)的自動率定，提高預報精度，預報技術(shù)先進、操作簡單，并在實際流域進行應(yīng)用，證明預報模型結(jié)構(gòu)的合理性、誤差修正技術(shù)的有效性，并獲得客觀的防洪社會效益和水資源利用等直接經(jīng)濟效益。但在實際預報調(diào)度過程中，影響因素眾多，建議如下：

（1）原始資料的可靠性和精度至關(guān)重要。水量平衡計算中降水、蒸發(fā)、徑流過程若存在較大誤差，則會得出虛假的擬合結(jié)果，所以對原始資料分析和考證十分必要。

（2）亟需解決上下游影響防洪調(diào)度的因素。如庫區(qū)移民高程以下的應(yīng)遷但未遷居民，下游防洪斷面的防洪標準有待提高等。不斷加強全流域水資源的統(tǒng)一調(diào)度管理，今后需不斷優(yōu)化松陰溪流域洪水預報調(diào)度系統(tǒng)，做到上下游兼顧，科學調(diào)度。

（3）流域水文規(guī)律的變化受氣候條件和下墊面條件的影響，隨著水文資料不斷積累，模型參數(shù)需要不斷修正。更好地改進蓄滿產(chǎn)流模型在松陰溪流域洪水預報中的應(yīng)用，不斷提高洪水預報水平，是今后進一步研究的方向。