胡志偉 胡小平

（江西省南昌市水文局，江西南昌 330038）

山區(qū)性河流洪水預(yù)報(bào)模型研究及運(yùn)用
——以江西省為例

胡志偉 胡小平

（江西省南昌市水文局，江西南昌 330038）

洪水預(yù)報(bào)是預(yù)防洪災(zāi)的一個(gè)非常關(guān)鍵的途徑。由于我國的河流水系多，洪澇等災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)于洪水預(yù)報(bào)也必須給予相當(dāng)?shù)闹匾?。?duì)于山區(qū)性河流來說，由于受到地勢(shì)、環(huán)境等多方面因素的影響，其突發(fā)的洪水災(zāi)害相對(duì)來說更為頻繁，因此，如何能夠建立起合理有效的山區(qū)性河流洪水預(yù)報(bào)模型，是防洪抗災(zāi)工作當(dāng)中需要高度關(guān)注的問題。本文將對(duì)我國目前的山區(qū)性河流洪水預(yù)報(bào)模型進(jìn)行淺要的分析與研究。

山區(qū)性河流 洪水預(yù)報(bào) 模型 研究

在我國的國土面積當(dāng)中，山丘區(qū)的面積占據(jù)了近百分之七十。由于山丘區(qū)的地形更為復(fù)雜、氣候條件更加惡劣等因素，導(dǎo)致各種山洪災(zāi)害頻繁發(fā)生。其中，因強(qiáng)降水造成的泥石流、山洪、滑坡等災(zāi)害引起的損失最為嚴(yán)重。山洪災(zāi)害在帶來了巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，還嚴(yán)重影響了山區(qū)人民的生活及安全。對(duì)于山區(qū)性河流洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建立與完善刻不容緩。目前，我國在大江大河洪水治理工作上面取得了越來越好的成效，相比較之下，對(duì)于山區(qū)性河流洪水預(yù)報(bào)模型的研究相對(duì)還比較落后。

1 概況

江西地形以丘陵山地為主，屬于江南丘陵的主要組成部分。省內(nèi)除了北部比較平坦之外，其東西南部三面環(huán)山，中部丘陵起伏，全省盆地、谷地廣布。同時(shí)，江西江湖眾多，全境有大小河流有兩千余條，總長度達(dá)1.84萬公里，包括贛江、撫河、信江、修河和饒河等，在其南高北低的地形有利于水源的匯聚，形成了以鄱陽湖為中心呈向心水系。由于水網(wǎng)稠密，又處于北回歸線附件，江西全省氣候溫暖，雨量充沛，年均降水量1341mm到1940mm。在汛期時(shí)河水暴漲，極容易泛濫成災(zāi)，具有夏季豐水、冬季枯水、春秋過渡的特點(diǎn)。由于其徑流的年內(nèi)分配主要集中在4月到6月之間，這段時(shí)間內(nèi)降水非常集中，并且大多以暴雨形式出現(xiàn)，容易造成洪澇災(zāi)害，嚴(yán)重制約了江西省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。而目前，山區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較緩慢，技術(shù)條件不足，導(dǎo)致山區(qū)性河流洪水預(yù)報(bào)的系統(tǒng)還不夠完善，根本達(dá)不到防御洪災(zāi)的要求。在這種情況下，對(duì)于山區(qū)性河流洪水防御模型的研究是當(dāng)下非常迫切的問題。

2 山區(qū)性河流洪水預(yù)報(bào)模型的參數(shù)優(yōu)選

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)來達(dá)成洪水預(yù)報(bào)工作的聯(lián)機(jī)作業(yè)，它通過對(duì)水情或雨情的準(zhǔn)確快速收集及儲(chǔ)存，借助多種專業(yè)的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)以及河道洪水演進(jìn)。在洪水預(yù)報(bào)模型當(dāng)中包含模型結(jié)構(gòu)、模型參數(shù)。模型結(jié)構(gòu)，指的是模型的相關(guān)計(jì)算步驟和方式；模型參數(shù)能夠表現(xiàn)水域的相關(guān)水文特征，包括過程參數(shù)和地理參數(shù)。在對(duì)洪水預(yù)報(bào)模型率定參數(shù)進(jìn)行確定時(shí)要綜合利用歷史資料和實(shí)時(shí)資料對(duì)參數(shù)進(jìn)行率定、補(bǔ)充以及修正，從而最終確定預(yù)報(bào)模型的參數(shù)。在進(jìn)行模型參數(shù)優(yōu)選時(shí)，我們可以從參數(shù)優(yōu)選和參數(shù)評(píng)定兩個(gè)方面入手。

進(jìn)行山區(qū)性河流洪水預(yù)報(bào)模型的參數(shù)優(yōu)選時(shí)，要在選定目標(biāo)函數(shù)之后利用優(yōu)化算法來進(jìn)行求解，一般比較常用到的優(yōu)化方法包括人工試錯(cuò)法、交互式優(yōu)選法以及自動(dòng)優(yōu)選法。人工試錯(cuò)法，即先假設(shè)一組參數(shù)，在計(jì)算機(jī)上通過模擬、比較等方法反復(fù)循環(huán)地對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在重復(fù)多次的計(jì)算下選出最優(yōu)的方案；自動(dòng)優(yōu)選法，是在不進(jìn)行人工調(diào)試的情況下讓計(jì)算機(jī)按特定規(guī)律進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)選；交互式優(yōu)選法，即以上兩種優(yōu)選方法交互使用。參數(shù)評(píng)定是對(duì)優(yōu)選出來的模型參數(shù)進(jìn)行判斷來確定其是否達(dá)到最佳擬合，一般可以通過圖形顯示法和目標(biāo)最佳擬合法來進(jìn)行。圖形顯示法，即在用一張圖形對(duì)模擬值、實(shí)測(cè)值后通過目估來進(jìn)行判斷；目標(biāo)最佳擬合法中對(duì)洪水預(yù)報(bào)誤差有絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、確定性系數(shù)三種目標(biāo)。其中確定性系數(shù)的計(jì)算公式為如下（其中是計(jì)算值，是實(shí)測(cè)值，是實(shí)測(cè)值均值，n表示資料序列長度）：

在對(duì)洪水預(yù)報(bào)模型參數(shù)優(yōu)選時(shí)用的的優(yōu)化算法很多，最常用到的包括粒子群算法、遺傳算法、單純性算法等，可以根據(jù)山區(qū)性洪水預(yù)報(bào)的具體模型來進(jìn)行合理的優(yōu)化算法選擇。

3 產(chǎn)流匯流的相關(guān)分析以及預(yù)報(bào)方案的建立

3.1 產(chǎn)流匯流的相關(guān)分析

在進(jìn)行產(chǎn)流和匯流數(shù)據(jù)的分析時(shí)，要對(duì)流域內(nèi)的平均雨量和流域蒸發(fā)量進(jìn)行計(jì)算。在對(duì)流域平均雨量進(jìn)行研究時(shí)，需要根據(jù)具體山區(qū)性河流水系實(shí)際情況和流域洪水特征進(jìn)行綜合的分析來確定計(jì)算的具體時(shí)段長度，計(jì)算平均雨量時(shí)可運(yùn)用森泰多邊形法等計(jì)算方法。流域蒸發(fā)量的計(jì)算公式為：EPt=K·Et（其中EPt表示流域蒸發(fā)量，Et表示流域時(shí)段水面蒸發(fā)量，單位均為mm；K表示蒸發(fā)折算系數(shù)）同時(shí)要針對(duì)山區(qū)性河流當(dāng)中具有代表意義的部分場(chǎng)次洪水退水段進(jìn)行綜合退水曲線、前后時(shí)段流量的相關(guān)曲線的制作，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用直線斜割法等來對(duì)場(chǎng)次洪水的基流進(jìn)行切割。

3.2 預(yù)報(bào)方案的建立

預(yù)報(bào)方案可以通過多種方法來進(jìn)行建立，針對(duì)山區(qū)性河流洪水主要可以采用水箱模型法，降雨徑流相關(guān)法，產(chǎn)、匯流模型法等方法。

（1）水箱模型法。水箱模型，又稱坦克模型或者黑箱模型，它是一種通過降雨的過程來計(jì)算徑流過程的降雨徑流模型。目前水箱模型法是流域水文模型當(dāng)中被運(yùn)用得比較廣泛的一種模型。在山區(qū)性河流洪水預(yù)報(bào)模型的建立當(dāng)中，由于山區(qū)的地形復(fù)雜，小河流眾多，使用水箱模型法可以把山區(qū)復(fù)雜的降水徑流過程簡單地慨化成流域的蓄水和出流關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬，針對(duì)山區(qū)小流域的降水、水循環(huán)、徑流等等水文特性來建立串聯(lián)水箱模型，通過串聯(lián)水箱模型來對(duì)流域的降水徑流過程進(jìn)行模擬并計(jì)算流域的徑流量，同時(shí)結(jié)合河流水質(zhì)模型來綜合模擬河流流量及主要水質(zhì)指標(biāo)變化。水箱模型用于小流域的徑流模擬比較準(zhǔn)確，它可以與水質(zhì)模型結(jié)合起來使用。在使用水箱模型法進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)，要采用前后時(shí)段流量相關(guān)法等方式并結(jié)合后期的降雨等，對(duì)預(yù)報(bào)洪水的退水段進(jìn)行相應(yīng)的修改。

（2）降雨徑流相關(guān)法。運(yùn)用降雨徑流相關(guān)法時(shí)，要根據(jù)山區(qū)性河流具體的次洪降雨徑流來建立起上層出流系數(shù)與洪峰數(shù)量、造峰雨量和洪峰流量等降雨徑流的相關(guān)關(guān)系，利用這些相關(guān)關(guān)系來對(duì)該河流的次洪徑流量進(jìn)行直接的預(yù)報(bào)，同時(shí)也能夠?qū)ζ渌念A(yù)報(bào)結(jié)果做出檢驗(yàn)。這種方法可以綜合反映出山區(qū)性河流流域的降雨徑流與前期土壤當(dāng)中的含水量間的關(guān)系。在進(jìn)行降雨徑流相關(guān)圖的制作時(shí)要將前期的影響雨量作為參數(shù)，使誤差降低到最小。

（3）產(chǎn)、匯流模型法。根據(jù)山區(qū)性河流的多場(chǎng)洪水的相關(guān)數(shù)值來

……

……分析初損IO值，計(jì)算穩(wěn)定入滲率、凈雨量、起漲流量、上層蓄泄系數(shù)和下層蓄泄系數(shù)。其中上層蓄泄系數(shù)還受到流域內(nèi)多年平均降雨量、流域面積以及河道坡度等方面的綜合影響。在對(duì)相同時(shí)刻的河流上層流量與下層流量進(jìn)行相加后便可以實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)洪水的過程，預(yù)報(bào)洪峰的流量就是其最大流量值。

在進(jìn)行山區(qū)性河流洪水預(yù)報(bào)模型的建立過程中，要對(duì)各種方案進(jìn)行反復(fù)的比較與篩選，根據(jù)方案具體的評(píng)定結(jié)果來選擇出首選方案，并將其他有一定效果的方案作為輔助方案。

4 結(jié)語

綜上所述，山區(qū)性河流洪水預(yù)報(bào)模型的建立與完善是目前洪水預(yù)報(bào)工作中刻不容緩的一項(xiàng)工作。通過對(duì)山區(qū)性河流洪水預(yù)報(bào)模型的研究可以將眾多無資料的小流域單位線以及河段洪水的演算模型參數(shù)估算的方法運(yùn)用到洪水的過程模擬當(dāng)中，從而對(duì)以往的只能對(duì)有資料的地區(qū)河流進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)的缺陷進(jìn)行彌補(bǔ)。在建立山區(qū)性河流洪水預(yù)報(bào)模型時(shí)，要對(duì)多種洪水預(yù)報(bào)模型進(jìn)行充分的了解與掌握，根據(jù)山區(qū)性河流的實(shí)際情況選擇適當(dāng)、合理的方案來完善模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)山區(qū)性河流洪水災(zāi)害的準(zhǔn)確及時(shí)的預(yù)報(bào)，減少因洪災(zāi)而產(chǎn)生的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)損失，為山區(qū)居民的生活與安全提供良好的保障。

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