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        百色市中小流域洪水預(yù)警預(yù)報(bào)方法與應(yīng)用

        2022-02-26 07:29:14黃定謀
        廣西水利水電 2022年1期
        關(guān)鍵詞:洪峰分析法洪水

        黃定謀

        (百色水文中心,廣西 百色 533000)

        1 概況

        百色市位于廣西西部,地處云貴高原東緣,區(qū)域內(nèi)山岳連綿,河流密布,從多河流原出高山峽谷,河床深切,灘多水急,落差大,是典型的中小流域地區(qū)。2012 年以后百色水文中心在轄區(qū)內(nèi)新設(shè)立了70 個(gè)水文(位)站,用于監(jiān)測(cè)中小流域水情變化情況。通過水文(位)站實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)百色市每年中小流域發(fā)生較大洪水有20多場(chǎng),其中接近或者超過警戒水位的有5 場(chǎng)。建立中小流域洪水預(yù)警預(yù)報(bào)方法,是防洪減災(zāi)指揮決策提供參考依據(jù),提前轉(zhuǎn)移人員和財(cái)產(chǎn),最大程度避免人員傷亡,減輕災(zāi)害損失。

        2 中小流域洪水預(yù)警預(yù)報(bào)方法

        中小流域洪水具有突發(fā)性強(qiáng)、產(chǎn)流快、匯流時(shí)間短、暴漲暴落等特點(diǎn),因此必須對(duì)中小流域洪水及時(shí)作出預(yù)警預(yù)報(bào),才能為當(dāng)?shù)胤篮闇p災(zāi)決策提供及時(shí)的參考依據(jù)。中小流域洪水預(yù)警預(yù)報(bào)主要是通過實(shí)測(cè)水位,實(shí)測(cè)降雨量和預(yù)報(bào)未來(lái)降雨量,利用預(yù)警預(yù)報(bào)方法分析出洪峰大小、發(fā)生時(shí)間以及是否超過河流設(shè)定的警戒水位,并及時(shí)將預(yù)警信息向社會(huì)公布。中小流域預(yù)警預(yù)報(bào)的方法有很多,比如集總式水文模型、分布式水文模型等等。百色市中小河流預(yù)警預(yù)報(bào)主要采用多元回歸分析法、漲率分析法、新安江模型。通過多種方法分析和對(duì)比建立的洪水預(yù)警預(yù)報(bào)方案??捎行а娱L(zhǎng)洪水預(yù)警預(yù)報(bào)預(yù)見期和提高預(yù)警預(yù)報(bào)精度。

        (1)多元回歸分析法。自然界中的許多變量在變化過程中相互之間存在著一定的聯(lián)系。通過對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理來(lái)研究自變量和因變量之間的關(guān)系,以確定由該兩個(gè)變量所決定的曲線和最佳擬合參數(shù)。由一組隨機(jī)變量來(lái)估計(jì)或者預(yù)測(cè)另外一個(gè)隨機(jī)變量的期望值時(shí)建立的模型及所做的統(tǒng)計(jì)分析,叫回歸分析。研究發(fā)現(xiàn)影響中小流域洪水主要因素是次洪面降雨量,降雨歷時(shí)、起漲水位和同時(shí)水位等要素,通過對(duì)次洪面降雨量、降雨歷時(shí)、起漲水位、同時(shí)水位與洪峰水位等多因素分析,建立Z峰~(P面、T歷、Z起、Z同)多元回歸方程。目前百色水文中心在轄區(qū)內(nèi)70 多個(gè)中小河流水文(位)站全部建有回歸方程,在建方案過程中如果采用的樣本比較少、巖溶地區(qū)和受水利工程影響時(shí),方案率定的誤差大,就需要對(duì)方案的合理性進(jìn)行分析。分析水位是否隨著雨量增大而增大;相同的雨量,起漲水位低,洪峰水位是否低等問題。

        (2)漲率分析法。假設(shè)洪峰水位隨時(shí)間變化,呈二次函數(shù)關(guān)系,通過分析研究洪水過程解析函數(shù),探討其微分求導(dǎo)后的數(shù)量規(guī)律和物理含義,構(gòu)建洪水預(yù)警預(yù)報(bào)監(jiān)控應(yīng)用數(shù)學(xué)模型,即洪水水位過程線可概化表示為拋物線(二次函數(shù))型的數(shù)學(xué)模型,對(duì)其求導(dǎo)之后即可得線性的漲率關(guān)系。因此實(shí)際的洪水過程線存在如下特征:水位起漲—漲率加速階段(斜率為正)—加速度為0,漲率出現(xiàn)極值(拐點(diǎn))—漲率減速階段(斜率為負(fù))—漲率為0(洪峰)。在實(shí)際應(yīng)用中,通過分析研究流域主雨峰與最大漲率、洪峰出現(xiàn)時(shí)間之間的特性來(lái)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。

        (3)新安江模型。利用水利部水文局開發(fā)的中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)(NFFS)用于流域水文模型方案的構(gòu)建,該系統(tǒng)已地理信息系統(tǒng)為平臺(tái),建立了常用的,模塊化的預(yù)報(bào)模型和方法庫(kù),可以進(jìn)行多模型、多方案對(duì)比分析。百色中小河流均采用新安江模型建立方案,但新安江模型未專門考慮地表坑洼、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和水利工程引起的截流,而百色中小河流流域內(nèi)都有一些水田、塘、壩和中小型水電站,在這些影響較大的流域,不考慮地表坑洼截流會(huì)引起很大的誤差。特別是巖溶地區(qū),受其影響,會(huì)引起較大的誤差。

        3 實(shí)例應(yīng)用

        百色市田林縣者苗水文站位于田林縣者苗鄉(xiāng)平封村,建于2015年,流域面積413 km2。流域境內(nèi)有者苗、六恒、者化等11 個(gè)雨量站。警戒水位316.50 m。以2020 年6 月5 日洪水情況為例,該次洪水流域內(nèi)降雨情況見表1,6 月4 日21:00 起漲水位為321.49 m,23:00水位為312.57 m,6月5日02:30 出現(xiàn)316.94 m 的洪峰水位,超警(警戒水位316.50 m)0.44 m。

        表1 2020年6月4日~6月5日者苗水文站流域內(nèi)降雨統(tǒng)計(jì)表mm

        3.1 多元回歸分析法

        (1)方案制作。利用電Excel內(nèi)部函數(shù)linest的回歸分析功能可以簡(jiǎn)化大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算和誤差分析過程,又可以利用Excel 強(qiáng)大的圖表功能繪制曲線。收集者苗水文站2015—2019 年25 場(chǎng)洪水,未出現(xiàn)超警洪水。通過對(duì)次洪面降雨量、降雨歷時(shí)、起漲水位、同時(shí)水位與洪峰水位等多因素分析,建立回歸方程為:Z峰=26.323+0.052×P-0.19 582×T+0.504×Z起+0.414×Z同(其中Z峰為洪峰水位;P為3 h最大面平均雨量;T為從起始降雨量至最大3 h降雨止(小時(shí)雨量小于2 mm 累計(jì)雨量);Z起為洪峰起漲水位;Z同為出現(xiàn)最大3 h降雨量止時(shí)的水位)。該方案計(jì)算洪峰水位誤差在0.5 m 以內(nèi)的有18 場(chǎng),洪峰水位誤差在0.5 m 以上的有7 場(chǎng),方案合格率為72.0%。

        (2)方案應(yīng)用。經(jīng)查詢及計(jì)算6 月4 日21:00者苗水文站面平均雨量為12.2 mm;22:00面平均降雨量為39.3 mm;23:00 面平均降雨量為15.4 mm。3 h 累計(jì)最大面平均雨量為66.8 mm,22:00 洪峰起漲水位為312.49 m,3 h累計(jì)最大面平均雨量出現(xiàn)的水位為312.57 m,代入建立好的回歸方程,計(jì)算得預(yù)測(cè)洪峰水位為316.10 m,接近警戒水位。

        3.2 漲率分析法

        2020年6月5日01:00水位為313.73 m,設(shè)為出現(xiàn)最大漲率拐點(diǎn),根據(jù)者苗水文站洪水特性統(tǒng)計(jì)分析,最大漲率至峰現(xiàn)時(shí)間采用1~4 h,在洪峰水位計(jì)算機(jī)洪峰預(yù)報(bào)中的洪峰時(shí)間假定為5 日03:00,漲率從01:00的0.85 m/h降低為0,每小時(shí)水位的漲率衰減為0.28 m/h,水位仍上漲0.9 m 左右,計(jì)算出洪峰水位314.63 m左右,離警戒水位較遠(yuǎn)。6月5日02:00水位信息更新后為315.54 m,再次滾動(dòng)分析,水位漲率從02:00 的1.81 m/h 降低為0,按4 h 到峰進(jìn)行分析,每小時(shí)的水位漲率衰減為0.45 m/h,水位仍上漲1.8 m 左右,預(yù)測(cè)洪峰水位約為317.30 m,超警戒水位。

        3.3 新安江模型

        (1)方案制作與率定。采用中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)(NFFS)建立者苗水文站預(yù)報(bào)方案有1個(gè)方案輸入,區(qū)間采用蓄滿產(chǎn)流模型(SMS_3)和滯后演算模型(LAG_3)進(jìn)行河道產(chǎn)匯流計(jì)算,斷面率定參數(shù)采用2018—2019年洪水摘錄資料,首先固定模型其他參數(shù),通過水量平衡,率定出流域蒸散發(fā)折算系數(shù)K值,最后使用率定的流域蒸散發(fā)折算系數(shù)K值,率定模型其他參數(shù),獲得總體過程模擬確定系數(shù)0.861,達(dá)到乙級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。率定成果圖見圖1。

        圖1 者面水文站參數(shù)率定成果圖

        (2)方案應(yīng)用。根據(jù)氣象預(yù)報(bào),未來(lái)2天,我市北部將有一次強(qiáng)降雨過程,通過獲取預(yù)見期降雨量,利用率定好的洪水預(yù)報(bào)方案,6月4日20:00,預(yù)見者苗水文站6 月5 日02:00 出現(xiàn)最大洪峰流量614 m3/s,通過者苗水文站的水位流量關(guān)系反查流量對(duì)應(yīng)的洪峰水位為316.46 m。

        3.4 預(yù)警預(yù)報(bào)結(jié)果比較

        3 種預(yù)警預(yù)測(cè)方法計(jì)算洪峰水位均接近警戒水位(見表2)。由表2 可知,多元回歸分析法結(jié)果誤差最大,漲率分析法次之,新安江模型結(jié)果誤差。采用多元回歸分析法進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào),洪峰水位和洪峰時(shí)間誤差比較大,導(dǎo)致計(jì)算洪峰水位偏小的原因是精度受方案采用樣本數(shù)少和方案代表性不好,同時(shí)未考慮強(qiáng)降雨區(qū)域與洪峰出現(xiàn)時(shí)間的關(guān)系;采用漲率分析法計(jì)算洪峰出現(xiàn)時(shí)間誤差比較大,斷面的預(yù)見期主要由主雨峰的空間分布決定,因此需對(duì)分析斷面的匯流時(shí)間進(jìn)行分析,根據(jù)降雨在流域上分布,有針對(duì)性地采用不同的時(shí)段長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算,可更有效提高分析研判成果的精度;采用新安江模型進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)前提是方案參數(shù)率定的精度滿足規(guī)范要求,預(yù)見期的雨量必須要精準(zhǔn)。

        表2 3種預(yù)警預(yù)報(bào)方法結(jié)果比較

        4 結(jié)語(yǔ)

        多元回歸分析法、漲率分析法和中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)(NFFS)新安江模型均能用于中小流域預(yù)警預(yù)報(bào)。要提高預(yù)警預(yù)報(bào)精度,采用多元回歸分析法必須多收集樣本資料和有代表性的方案;采用漲率分析法也需要多收集樣本資料,根據(jù)降雨在流域上分布,有針對(duì)性地采用不同的時(shí)段長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算,提高分析研判成果的精度;采用中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)(NFFS)新安江模型法在方案構(gòu)建、率定、檢驗(yàn)時(shí),資料數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確,只有方案達(dá)到一定的精度時(shí),通過獲得降雨數(shù)值預(yù)報(bào),能有效延長(zhǎng)洪水預(yù)警預(yù)報(bào)的預(yù)見期和提高預(yù)報(bào)精度。

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