頓珠加措，曲 珍，尼瑪次仁，旦 增，普瓊次仁，夏達(dá)忠

（1.日喀則水文水資源分局，西藏 日喀則 857000；2.西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，西藏 拉薩 850009；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098）

雅魯藏布江中上游分布式洪水預(yù)報(bào)方案研究

頓珠加措1，曲 珍1，尼瑪次仁2，旦 增1，普瓊次仁1，夏達(dá)忠3

（1.日喀則水文水資源分局，西藏 日喀則 857000；
2.西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，西藏 拉薩 850009；
3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098）

雅魯藏布江中上游，流域面積大，水文站點(diǎn)稀少，目前還無法進(jìn)行有效的洪水作業(yè)預(yù)報(bào)?；跀?shù)字高程模型，利用 ArcGIS 軟件中的水文分析功能，對該區(qū)域進(jìn)行流域空間離散，通過生成流域流水網(wǎng)、劃分流域子單元、建立產(chǎn)匯流分區(qū)、生成分區(qū)間拓?fù)潢P(guān)系等步驟，構(gòu)建分布式洪水預(yù)報(bào)方案。針對雅魯藏布江中上游的流域特性，選用新安江模降雨徑流和馬斯京根河道演算模型，對流域的水文過程進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，該預(yù)報(bào)方案能較好模擬流域重要站點(diǎn)的水文過程。

流域空間離散；分布式；洪水預(yù)報(bào)方案

0 引言

雅魯藏布江發(fā)源于喜馬拉雅山北麓的杰馬央宗冰川，河流總體呈西東流向，在米林縣派鎮(zhèn)附近折向東北流，納左岸支流帕隆藏布后又改向南流，經(jīng)過巴昔卡進(jìn)入印度境內(nèi)。河長約 2 057 km，總落差5 435 m，平均坡降 2.16‰，按河谷地形及河道特性，可劃分為上、中、下游 3 段。自源頭至里孜為上游段，自里孜至派為中游段，自派至巴昔卡為下游段。雅魯藏布江支流眾多，左右岸流域面積極不對稱，左岸流域面積占全流域面積的 70%。集水面積大于 2 000 km2的支流有 14 條，集水面積大于10 000 km2的支流有多雄藏布、年楚河、拉薩河、尼洋曲和帕隆藏布。

流域降水主要來源于印度洋孟加灣的暖濕氣流，暖濕氣流沿雅魯藏布江河谷上溯形成降水，峽谷地區(qū)降水量梯度變化明顯。降水量自下游至上游呈遞減趨勢，自東南向西北迅速遞減，流域多年平均年降水量約 946 mm，年降水量的 60% ～ 90% 主要集中在 6—9 月。暴雨主要發(fā)生在藏東南及下游地區(qū)，中上游地區(qū)主要發(fā)生局部短歷時(shí)強(qiáng)降水。暴雨多出現(xiàn)在 7 和 8 月，年最大洪峰流量也多出現(xiàn)在 7和 8 月。據(jù)記載，雅魯藏布江干流在 1924，1936，1946，1954，1962，1982 年發(fā)生過大洪水。奴下站1962 年 8 月 31 日實(shí)測最大流量為 12 700 m3/s。

截至目前，雅魯藏布江中上游流域由于流域面積大，水文站點(diǎn)稀少，還無法進(jìn)行有效的洪水作業(yè)預(yù)報(bào)。但隨著水利部中小河流遙測雨量監(jiān)測站點(diǎn)及“十二五”規(guī)劃中水文站點(diǎn)的建設(shè)，將使流域洪水作業(yè)預(yù)報(bào)成為可能。洪水預(yù)報(bào)方案是進(jìn)行洪水作業(yè)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，由此對雅魯藏布江中上游流域展開分布式洪水預(yù)報(bào)方案的先期研究，以期構(gòu)建洪水預(yù)報(bào)方案初步框架，為后續(xù)的流域洪水業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)奠定基礎(chǔ)。

1 分布式洪水預(yù)報(bào)方案構(gòu)建

分布式洪水預(yù)報(bào)方案是進(jìn)行水文模擬及預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，方案的優(yōu)劣影響著整個(gè)模擬過程及結(jié)果的合理性和可靠性。預(yù)報(bào)方案構(gòu)建主要流程如下：

1）對預(yù)報(bào)流域進(jìn)行空間離散，根據(jù)預(yù)報(bào)站點(diǎn)和流域流水網(wǎng)將整個(gè)流域離散為流域子單元，在此基礎(chǔ)上完成流域產(chǎn)匯流分區(qū)的劃分，從而充分考慮降雨空間分布不均和下墊面特征的時(shí)空變異性；

2）與水文模型進(jìn)行耦合，對分區(qū)進(jìn)行分析，選用不同的洪水預(yù)報(bào)模型；

3）構(gòu)建流域產(chǎn)匯流分區(qū)間的空間拓?fù)潢P(guān)系，建立各分區(qū)間的水力聯(lián)系，完成分布式洪水預(yù)報(bào)方案的構(gòu)建[1]。

1.1 基于流域 DEM 的空間離散

如何盡可能多的考慮降雨和流域下墊面特征的空間變異性，確定模型參數(shù)的空間分布，是構(gòu)建分布式洪水預(yù)報(bào)方案時(shí)需要解決的主要問題。在水文模型中，由于流域特性存在著較大的空間差異性，通常將流域離散成較小的、特征相對均一的空間單元[2]。過程如下：

1）流域流水網(wǎng)生成。采用正方形網(wǎng)格的DEM，根據(jù)水往低處流的公理，高值網(wǎng)格上的水流將流向相鄰較低值的網(wǎng)格中，由此可確定各網(wǎng)格上徑流的流向（網(wǎng)格方向），連接網(wǎng)格方向即為流域流水網(wǎng)[3]?；诳擅赓M(fèi)獲取的 SRTM3 數(shù)據(jù)，選取雅魯藏布江流域的數(shù)據(jù)，得到雅魯藏布江流域 DEM 分色圖，基于該數(shù)據(jù)，采用 ArcGIS 軟件中的水文分析工具進(jìn)行流域流水網(wǎng)的推求，得到雅魯藏布江流域的流水網(wǎng)[4]，如圖1 左下角圖形所示。

圖1 研究區(qū)流域子單元及產(chǎn)匯流分區(qū)（閾值 5000）

2）流域子單元?jiǎng)澐帧Ｔ诹饔蛩哪M中，考慮到降雨空間分布不均的影響及下墊面水文特性的空間差異，常將流域按一定形式分成若干單元流域。在流域流水網(wǎng)基礎(chǔ)上，給定集水面積閾值，ArcGIS中的水文分析工具能自動(dòng)按分水嶺進(jìn)行流域劃分，即為流域子單元（見圖1）。

3）流域產(chǎn)匯流分區(qū)。在流域子單元的基礎(chǔ)上，采用流域產(chǎn)匯流分區(qū)對流域進(jìn)行二次概化。流域產(chǎn)匯流分區(qū)是與控制站點(diǎn)相對應(yīng)的計(jì)算分區(qū)，包括小流域和區(qū)間流域 2 種類型?；诹饔虍a(chǎn)匯流分區(qū)，建立產(chǎn)匯流分區(qū)間的拓?fù)潢P(guān)系后，可用于流域水文模擬，如圖1 右上角所示。

1.2 洪水預(yù)報(bào)模型選擇

新安江模型是河海大學(xué)（原華東水利學(xué)院）水文系在 1973 年對新安江水庫作入庫流量預(yù)報(bào)時(shí)提出的概念性流域降雨徑流模型。該模型把全流域分成許多個(gè)單元面積，對每個(gè)單元面積進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，得出單元面積的出口流量過程，再進(jìn)行出口以下的河道洪水演算，把各個(gè)單元面積的出流過程相加，求得流域的總出流過程。模型主要適應(yīng)于濕潤與半濕潤地區(qū)，計(jì)算精度較高，在國內(nèi)外水文預(yù)報(bào)工作中有較好的應(yīng)用。

馬斯京根模型是麥克瑟（G.T.McCarthy）1938 年提出的，在理論上屬于擴(kuò)散波。擴(kuò)散波可以用于下游回水影響較小的天然河道。

雅魯藏布江流域徑流除源頭地區(qū)以冰雪融雪補(bǔ)給外，其它地區(qū)基本以雨水補(bǔ)給為主，流域多年平均年降水量約 946 mm，屬濕潤地區(qū)，適合用新安江模型。雅魯藏布江中上游，河道比降較大，適合用馬斯京根模型，在應(yīng)用中，采用考慮區(qū)間來水的馬斯京根模型。

1.3 洪水預(yù)報(bào)方案構(gòu)建

通過流域空間離散，將流域劃分為流域產(chǎn)匯流分區(qū)的集合，在此基礎(chǔ)上，分析所處流域的下墊面特性，為產(chǎn)匯流分區(qū)選擇合適的模型，并構(gòu)建各分區(qū)間的空間拓?fù)潢P(guān)系，建立各分區(qū)間的水力聯(lián)系，完成分布式洪水預(yù)報(bào)方案的構(gòu)建，空間拓?fù)潢P(guān)系如圖2 所示。此預(yù)報(bào)方案的上邊界輸入為拉孜站，下邊界為奴各沙站，區(qū)間有日喀則站的入流。方案構(gòu)建完成后，需基于歷史雨水情數(shù)據(jù)進(jìn)行水文模擬，從而確定所用模型的參數(shù)，進(jìn)而用于最終的洪水作業(yè)預(yù)報(bào)。

圖2 研究區(qū)流域拓?fù)潢P(guān)系圖

2 模型參數(shù)率定及歷史洪水模擬

雅魯藏布江中下游流域站點(diǎn)稀少，在研究區(qū)已建的水文站點(diǎn)有拉孜、日喀則、江孜和各奴沙 4 個(gè)站（有流量和雨量資料），中小河流水文監(jiān)測在建遙測雨量站點(diǎn) 73 個(gè)，“十二五規(guī)劃”待建的水文站點(diǎn)有通門、錫欽、德吉林、秋窩、達(dá)居、南木林等站點(diǎn)。在現(xiàn)狀條件下，由于站點(diǎn)稀、資料少，特別是場次大洪水資料少，給模型參數(shù)率定和歷史洪水模擬帶來一定的難度。

按 GB/22482-2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》的要求，編制水文預(yù)報(bào)方案應(yīng)使用不少于 10 年的水文氣象資料，其中應(yīng)包括大、中、小洪水各種代表性年份，并有足夠代表性的場次洪水資料，濕潤地區(qū)不應(yīng)少于 50 次，干旱地區(qū)不應(yīng)少于 25 次，當(dāng)資料不足時(shí)，應(yīng)使用所有洪水資料。

近 20 年來，雅魯藏布江中上游地區(qū)，僅在1998 和 2000 年發(fā)生過較大洪水，僅有 4 個(gè)站有同步觀測洪水摘錄資料。在流域面積 10 000 多 km2的年楚河上僅有 2 個(gè)站點(diǎn)，故僅對那 2 年的水文過程進(jìn)行模擬，不對其進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)分析。圖3 和 4分別為年楚河出口控制站日喀則“19980515”和“20000601”場次洪水模擬過程。

從 1998 和 2000 年的模擬過程來看，總體上模擬過程與實(shí)測過程走勢吻合。但局部洪水段與實(shí)測過程有偏離，這與流域面上雨量站點(diǎn)少，無法較好控制流域面雨量有關(guān)。

圖3 日喀則站“19980515”次洪模型模擬過程線

圖4 日喀則站“20000601”次洪模型模擬過程線

在對年楚河日喀則站完成模擬后，確定了新安江模型的參數(shù)。因拉孜到奴各沙的預(yù)報(bào)區(qū)域中，其它幾個(gè)區(qū)域沒有雨量站和出口控制站，無法對其進(jìn)行模型參數(shù)率定，故采用參數(shù)空間移用的方式，將年楚河流域的參數(shù)移用到其它子區(qū)域，進(jìn)行河系連續(xù)模擬，即以拉孜入流為上邊界，通過河道演算至奴各沙，各子區(qū)域出流過程作為支流加入。圖5 為奴各沙站模擬過程圖，從圖中可以看出，模擬過程與實(shí)測過程總體趨勢接近，但局部過程上模擬偏大，這也與流域面雨量有關(guān)。

圖5 奴各沙站“19980515”河系演算過程

3 結(jié)語

基于新安江和馬斯京根模型，構(gòu)建了雅魯藏布江中上游流域的分布式洪水預(yù)報(bào)方案，并對其進(jìn)行了水文模擬。鑒于研究區(qū)的站點(diǎn)和資料限制，評定時(shí)沒有按照水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范的要求進(jìn)行精度評定，僅對模擬過程進(jìn)行了定性分析。但隨著水利部中小河流預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)中遙測雨量監(jiān)測站點(diǎn)及“十二五”規(guī)劃中水文站點(diǎn)的建設(shè)，將較好地掌握研究區(qū)面上的雨量及各支流的流量過程，待這些系統(tǒng)建設(shè)完成，積累了一定時(shí)期的資料后，可對該方案重新進(jìn)行水文模擬，確定水文模型參數(shù)，以期能適用于后期的實(shí)時(shí)作業(yè)預(yù)報(bào)。另外，也將基于積累的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究其它能適用于雅魯藏布江流域的水文模型，進(jìn)行對比分析。

[1] 夏達(dá)忠，張行南.基于 GIS 的分布式洪水預(yù)報(bào)方案構(gòu)建范式研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,37 (5): 496-502.

[2] 任立良.流域空間離散化及其對徑流過程模擬的影響研究[J].地球信息科學(xué)，2000 (2): 11-15.

[3] 張行南，張麗.流域流水網(wǎng)推導(dǎo)方法[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2000,28 (1): 26-31.

[4] 周啟明，劉學(xué)軍. 數(shù)字地形分析[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

Research on Distributed Flood Forecasting Scheme on Middle and Upper Reaches of Yarlung Zangbo River

Denzu Gyatso1,Chodron1,Nyima Tsring2,Tenzin1,Puchung Tsring1,XIA Dazhong3
(1.Shigatse Hydrology and Water Resources Bureau,Shigatse 857000,China;
2.TAR Hydropower Planning and Design Institute,Lhasa 850009,China;
3.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Due to large watershed area and lack of hydrological stations on the middle and upper reaches of the Yarlung Zangbo River,flood forecasting can’t be carried out effectively.Based on DEM,the paper uses hydrological analysis function of ArcGIS and makes watershed segmentation in this region.By generating drainage lines,dividing watershed sub-units and generating the topology relation between partitions,the distributed flood forecasting scheme is established.According to the watershed characteristics on the middle and upper reaches of the Yarlung Zangbo River,Xin’anjiang Model and Muskingum flood routing Model are applied to simulate hydrological process of the watershed.The results show that the forecasting scheme can better simulate hydrologic process of important stations.

Yarlung Zangbo River;watershed segmentation;distributed flood forecasting scheme

P338

A

1674-9405(2015)01-0029-04

2014-08-22

頓珠加措（1978－），男，藏族，西藏山南人，工程師，主要從事水文水資源監(jiān)測預(yù)報(bào)研究。