宋尚波

(淄博市水文局，山東 淄博 255000)

科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)防洪建設(shè)提出了更高要求，大江大河無(wú)論在防洪工程設(shè)施建設(shè)，還是技術(shù)先進(jìn)的洪水監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)方面都有了較大的發(fā)展，而數(shù)量眾多、分布范圍廣泛的中小河流卻仍有“大雨大災(zāi)，小雨小災(zāi)”的災(zāi)害問(wèn)題[1- 3]。為提高對(duì)中小河流洪水災(zāi)害的防治，一方面加強(qiáng)中小河流的防洪工程設(shè)施建設(shè)，另一方面要提高水文監(jiān)測(cè)、研究開發(fā)適用的洪水預(yù)報(bào)模型，以提高中小河流洪水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，降低洪水災(zāi)害造成的損失。

1 中小河流洪水預(yù)報(bào)的難點(diǎn)分析

我國(guó)有5萬(wàn)多條中小河流，河流分布廣泛且地理?xiàng)l件復(fù)雜，中小河流流域分布著耕地良田和沿河城市。由于大肆開墾和利用中小河流流域的土地，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞致使水土流失嚴(yán)重，當(dāng)遇到異常降雨天氣時(shí)，將誘發(fā)中小河流發(fā)生洪水災(zāi)害，嚴(yán)重危害群眾利益，制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。目前，國(guó)家也相繼出臺(tái)了一系列治理中小河流的工程措施，也對(duì)中小河流水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)建設(shè)、防洪預(yù)警系統(tǒng)等非工程措施做了相關(guān)要求，但是目前洪水預(yù)報(bào)工作中仍存在較多的困難，制約了洪水預(yù)報(bào)的發(fā)展。

1.1 對(duì)中小河流洪水預(yù)報(bào)重視度不夠

中小河流分布廣泛，洪水的預(yù)報(bào)精準(zhǔn)需要提供完善的信息數(shù)據(jù)，需建立完善的水文監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、配備專業(yè)技術(shù)人員。目前老站點(diǎn)缺乏有效看護(hù)、維修、運(yùn)營(yíng)，新站點(diǎn)建設(shè)沒(méi)有落實(shí)，加上高層次人才的缺乏，使得中小河流洪水的數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)采集、傳輸，影響了洪水預(yù)警預(yù)報(bào)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。同時(shí)由于沒(méi)有形成統(tǒng)一的中小河流洪水預(yù)報(bào)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致中小河流洪水預(yù)報(bào)方案的精度和實(shí)效性難以得到保證。

1.2 數(shù)據(jù)資料不全，監(jiān)察點(diǎn)較少

一直以來(lái)，我們主要關(guān)注江河防汛工作，而中小河流的水文監(jiān)察預(yù)警預(yù)報(bào)工作相對(duì)滯后。目前，水文站點(diǎn)稀少、站網(wǎng)精密度低，中小河流流域雨量、水位、流量資料相對(duì)較少，很難依據(jù)實(shí)際完善的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立有效的中小河流洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。同時(shí)，因?yàn)楸O(jiān)測(cè)站點(diǎn)較少，且站網(wǎng)精密度不能滿足要求，導(dǎo)致對(duì)雨量的監(jiān)測(cè)存在誤區(qū)、盲區(qū)，對(duì)于突發(fā)性降雨的強(qiáng)度等級(jí)和量度把握不準(zhǔn)確，導(dǎo)致洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)結(jié)果不準(zhǔn)確。

1.3 強(qiáng)降雨分布不均衡

強(qiáng)降雨是中小河流洪水發(fā)生的一個(gè)重要性因素，由于暴雨的空間分布存在不均衡現(xiàn)象，若水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不完善將很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出降雨強(qiáng)度。比如，中小河流洪水災(zāi)害發(fā)生在河流的某段小支流，而不是河流出口的位置時(shí)，很難對(duì)該段支流雨量進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)試，洪水災(zāi)害就很難被測(cè)知。同時(shí)加之中小河流洪水暴漲暴落，來(lái)得快去得也快，時(shí)間周期較短，增加了預(yù)警預(yù)報(bào)難度。

1.4 洪水預(yù)報(bào)模型缺乏針對(duì)性

中小河流的洪水具有季節(jié)性，汛期中小河流域洪水匯流快，成災(zāi)快，破壞性強(qiáng)，由于中小河流域地形、地貌、降水過(guò)程、河流的水利工程設(shè)施均不相同，所以應(yīng)根據(jù)流域洪水具體情況，選擇適合本流域的洪水預(yù)報(bào)模型。現(xiàn)有水文模型或通用水文模型應(yīng)用到中小河流洪水預(yù)報(bào)中缺乏針對(duì)性，很難全面反映河流洪水的實(shí)際情況，預(yù)報(bào)的精度也難以滿足需求。根據(jù)每條河流流域的具體情況，建立適合中小河流自身?xiàng)l件的預(yù)報(bào)模型，是當(dāng)前中小河流洪水預(yù)報(bào)的發(fā)展方向。

2 中小河流洪水預(yù)報(bào)解決對(duì)策

為有效解決中小河流洪水預(yù)報(bào)困難的問(wèn)題，首先應(yīng)建立完善的中小河流水文站點(diǎn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，以獲取中小河流完整的水文資料；其次培養(yǎng)高素質(zhì)、梯隊(duì)型水文監(jiān)測(cè)人才，提高對(duì)水文監(jiān)測(cè)資料的應(yīng)用與分析；最后基于中小河流現(xiàn)狀開發(fā)適用性的洪水預(yù)警模型。HEC-HMS模型是由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的一個(gè)具有物理概念的半分布式次洪降雨徑流模型[4]，其包含4個(gè)模型結(jié)構(gòu)，每個(gè)模型結(jié)構(gòu)中又包含多種子模型計(jì)算方法可供選擇，可較好適用于實(shí)測(cè)資料有限的中小河流洪水預(yù)警預(yù)報(bào)[5]。

2.1 HEC-HMS模型

HEC-HMS模型將洪水的產(chǎn)生的過(guò)程簡(jiǎn)化為產(chǎn)流計(jì)算、直接徑流、基流、河道匯流相互獨(dú)立的4個(gè)過(guò)程，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。HEC-HMS模型將空間降雨分布的空間變異性及流域下墊面條件考慮到計(jì)算中，把河流流域劃分為若干個(gè)子流域，對(duì)每個(gè)子流域的降水過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，然后將各子流域計(jì)算結(jié)果推演至流域出口處得出流域洪水參數(shù)。模型計(jì)算僅考慮河流流域降水的空間水文要素分布，對(duì)水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地形地貌等資料要求較低，對(duì)水文觀測(cè)資料有限的中小河流洪水預(yù)報(bào)具有較好的適用性[6- 9]。

圖1 HEC-HMS模型結(jié)構(gòu)

2.2 基于HEC-HMS的中小河流洪水預(yù)報(bào)模型構(gòu)建

2.2.1 子流域劃分

在地理空間數(shù)據(jù)云下載所研究河流流域的DEM數(shù)據(jù)，采用ARCGIS切割河流流域的DEM數(shù)據(jù)，再通過(guò)ARCGIS的拓展模塊進(jìn)行填洼、水流方向計(jì)算、匯流計(jì)算、出水口選定等，確定研究河流的子流域。根據(jù)選定的子流域計(jì)算河道長(zhǎng)度、河道平均坡度、河道坡降、中心位置、高程等子流域的基本要素，根據(jù)不同土壤的滲透系數(shù)計(jì)算每個(gè)子流域的下滲參數(shù)。

子流域數(shù)量與河網(wǎng)閾值密切相關(guān)，河網(wǎng)閾值越小表示河網(wǎng)越密集子流域的數(shù)量越多。子流域數(shù)量應(yīng)根據(jù)河流的復(fù)雜性來(lái)確定，一般山區(qū)河流比較密集，平面地區(qū)相對(duì)稀疏。理論上子流域劃分越多越能體現(xiàn)出降雨分布的不均勻性，模型結(jié)果更加精準(zhǔn)，但若水文資料的精度不高，會(huì)導(dǎo)致模擬效果變差，因此建立子流域模型時(shí)應(yīng)根據(jù)河流具體情況選擇合適的子流域數(shù)量。

2.2.2 氣象模型

河流流域降水量多數(shù)通過(guò)分布廣泛的水文觀測(cè)站點(diǎn)獲取，其數(shù)據(jù)受降水的空間分布影響較大，在HEC-HMS模型的氣象模塊中選擇泰森多邊形法計(jì)算每個(gè)子流域的降水量，泰森多邊形法可根據(jù)各水文觀測(cè)站在各子流域所占的面積比重進(jìn)行降雨量重分配，以削弱降水空間變異性的影響。

3 HEC-HMS模型洪水模擬預(yù)報(bào)應(yīng)用

蒙河屬與沂河水系的中小河流，起源于臨沂垛莊鎮(zhèn)，呈南北走向。蒙河屬季節(jié)性河道，年內(nèi)降水分配很不均勻，河道流量與降水量變化規(guī)律一致，枯季流量較小，洪水主要集中在汛期。根據(jù)蒙河流域的水文特性、地形、地貌等條件，對(duì)HEC-HMS模型的4種計(jì)算模塊選取合適的計(jì)算參數(shù)，建立蒙河洪水預(yù)警預(yù)報(bào)模型，并率定模型參數(shù)，詳見表1。

表1 模型方案選擇

3.1 參數(shù)初始值選擇[4,10,11]

3.1.1 初損后損法

初損后損法主要參數(shù)有流域初始損失量(mm)、穩(wěn)定滲透系數(shù)(mm/h)、流域不透水面積百分比。初始損失量主要與流域內(nèi)地形條件及降水量相關(guān)，由于相關(guān)參數(shù)離散性較大，本次模型取各雨量站產(chǎn)流開始前的累計(jì)降水平均值作為損失量的初始值。

表2 洪水實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果分析表

穩(wěn)定滲透系數(shù)主要與土壤類型相關(guān)，蒙河流域主要為黏性土，穩(wěn)定滲透系數(shù)取1.36～1.52mm/h。

3.1.2 SCS單位線法

流域綜合無(wú)因次參數(shù)值CN為SCS單位線法唯一參數(shù)值，該值能夠客觀反映土壤及地表覆被條件對(duì)地表徑流的影響，其模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易用。根據(jù)流域內(nèi)的土地利用類型、水文土壤分類、前期土壤濕度，對(duì)各子流域加權(quán)平均得到各子流域的復(fù)合CN值。

3.1.3 退水曲線法

退水曲線法主要參數(shù)為峰值比、衰減系數(shù)、初始基流量。衰減系數(shù)是指當(dāng)日基流與前一日基流的比值，根據(jù)流域內(nèi)洪水退水線計(jì)算，衰減系數(shù)大致可取為0.86～0.95。初始基流量值根據(jù)各次降水量值，綜合考慮土地使用類型與土壤性質(zhì)，按照流域面積分配各子流域初始基流量。

3.1.4 馬斯京根法

馬斯京根法模擬河道匯流模型的參數(shù)有槽蓄曲線坡度和流量比重因子。槽蓄曲線坡度表達(dá)穩(wěn)定流狀態(tài)下水流在河道中的傳播時(shí)間，可以根據(jù)河道長(zhǎng)度和洪水流速的比值來(lái)初步確定槽蓄曲線坡度。流量比重因子表達(dá)河道流出量與流入量之間的關(guān)系，范圍一般為0～0.5。

3.2 結(jié)果分析

選取蒙河2008—2012年的9場(chǎng)洪水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)上述4個(gè)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行率定，采用內(nèi)爾德米德優(yōu)化算法和峰值加權(quán)均方根目標(biāo)函數(shù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將率定數(shù)值代入對(duì)應(yīng)參數(shù)模型，所得模擬結(jié)果與實(shí)際水文監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析見表2。

根據(jù)SL 250—2000《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》[12]對(duì)洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)差、確定系數(shù)等的要求，所選9場(chǎng)洪水有7場(chǎng)滿足要求，合格率77.8%。洪峰流量誤差在20%以內(nèi)的占比為77.8%，徑流總深誤差在20%以內(nèi)的占比為88.9%，峰現(xiàn)時(shí)差2h以內(nèi)的占比為88.9%，確定性系數(shù)0.7以上的占比為66.7%。由以上數(shù)據(jù)大致可以判斷所選擇的模型參數(shù)、模擬方案可較好的適用于蒙河洪水的預(yù)警預(yù)報(bào)。

4 結(jié)語(yǔ)

由于中小河流水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全面，河流實(shí)測(cè)水文資料較少，對(duì)河流防洪預(yù)報(bào)造成較大困難。本文采用HEC-HMS半分布式河流洪水預(yù)報(bào)模型，其模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需參數(shù)較少，可以較好的應(yīng)用于水文資料有限的中小河流洪水預(yù)報(bào)。根據(jù)蒙河流域具體情況，選擇適合于該流域的HEC-HMS模型的計(jì)算參數(shù)，模擬結(jié)果與實(shí)際水文資料對(duì)比顯示，所選擇計(jì)算模型能夠較好地反映該河流洪水狀況。因此，在選擇河流洪水預(yù)報(bào)模型時(shí)不能照搬其他地區(qū)洪水預(yù)報(bào)模型，應(yīng)根據(jù)流域的地貌特征、土壤條件、植被覆蓋、降水類型等綜合因素，選擇符合條件的計(jì)算參數(shù)，并應(yīng)對(duì)其進(jìn)行率定，以確保洪水預(yù)報(bào)模型的可靠性。