章 陽(yáng)，徐星星，吳欽華，李金宵

（1.東莞市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 東莞 523000；2.蒼南縣水利局橋墩水庫(kù)管理所，浙江 溫州 325800； 3.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州310052）

1 概述

經(jīng)過多年的探索和研究，我國(guó)在大江大河防洪治理方面有了明顯的提高，但是山區(qū)中小河流，由于基礎(chǔ)資料的缺失，導(dǎo)致各類新技術(shù)缺乏數(shù)據(jù)支撐，發(fā)揮不出應(yīng)有的效用，長(zhǎng)序列多長(zhǎng)洪水的預(yù)報(bào)整體精度達(dá)不到規(guī)范要求[1-3]。傳統(tǒng)預(yù)報(bào)作業(yè)采用日模型與次洪模型相結(jié)合的方式進(jìn)行預(yù)報(bào)作業(yè)[4-6]，但由于缺乏流域河道基流及土壤含水量資料，導(dǎo)致預(yù)報(bào)成果偏低，使得后期率定時(shí)參數(shù)將失真，該影響在降雨驟停驟起的多雨峰汛期尤為明顯[7]。為克服這一現(xiàn)象，目前采用較多的方法往往是從枯水期進(jìn)行不間斷的長(zhǎng)時(shí)間預(yù)報(bào)，以減少土壤含水量和河道基流對(duì)整體預(yù)報(bào)的精度的影響，但這將導(dǎo)致預(yù)報(bào)時(shí)間將逐步拉長(zhǎng)，無法從根本上解決這一問題。

為克服這一現(xiàn)狀，本文基于徑流產(chǎn)生的物理機(jī)理，采用滾動(dòng)疊加的預(yù)報(bào)機(jī)制，將次洪模型歷史成果與當(dāng)前時(shí)刻暴雨生成的徑流成果進(jìn)行疊加后生成最新預(yù)報(bào)結(jié)果。

2 模型算法

2.1 水文預(yù)報(bào)模型

針對(duì)流域的地理信息資料及歷史洪水資料進(jìn)行分析可知：本次研究對(duì)象位于南方濕潤(rùn)地區(qū)，預(yù)報(bào)模型可采用新安江模型，新安江模型是河海大學(xué)提出具有世界影響力的水文模型，允許用戶依據(jù)計(jì)算流域的面積大小和精度要求，進(jìn)行預(yù)報(bào)流域精度劃分。隨后針對(duì)各個(gè)子流域進(jìn)行產(chǎn)流與匯流分析，求得子流域的洪水出流過程。最后利用河道洪水演進(jìn)模擬可分別求得預(yù)報(bào)斷面處的洪水出流過程，基于時(shí)間軸疊加出流過程便可求得預(yù)報(bào)斷面的最終洪水出流過程。本次水文預(yù)報(bào)分析計(jì)算過程中采用三水源三蒸發(fā)的新安江模型，匯流計(jì)算則采用線性水庫(kù)法，河道洪水演進(jìn)分析則采用滯后演算[8]。

2.2 滾動(dòng)疊加機(jī)制

本次采用的滾動(dòng)疊加機(jī)制是基于瞬時(shí)單位線法衍生得到，單位時(shí)段內(nèi)給定流域上，時(shí)空分布均勻的一次單位凈雨量在流域出口斷面所形成的地面徑流（直接徑流）過程線。區(qū)別在單位線法中雨量與徑流關(guān)系推求是通過分析法、試錯(cuò)法和系統(tǒng)識(shí)別法[9]，而本文中雨量與徑流管是通過新安江模型計(jì)算得到。

具體流程如下：

①預(yù)報(bào)初始階段，可依據(jù)歷史降雨數(shù)據(jù)，使用新安江模型預(yù)報(bào)生成歷史流量過程以及歷史土壤含水量；

②基于當(dāng)前時(shí)刻降雨總量，使用同一套新安江模型參數(shù)得到當(dāng)前降雨對(duì)應(yīng)的流量過程；

③將歷史預(yù)流量過程與當(dāng)前時(shí)刻流量過程進(jìn)行疊加，得到當(dāng)前時(shí)刻預(yù)報(bào)流量過程線以及土壤含水量；

使用流程③得到的預(yù)報(bào)流量過程線以及土壤含水量帶入流程①，作為下一時(shí)刻預(yù)報(bào)的歷史流量過程和歷史土壤含水量。

滾動(dòng)預(yù)報(bào)引入疊加示意圖如圖1所示，圖1（a）為未引入短臨預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)降雨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，圖1（b）為僅有短臨預(yù)報(bào)時(shí)的降雨數(shù)據(jù)，圖1（c）為圖1（a）和圖1（b）兩者的疊加效果。

圖1 滾動(dòng)預(yù)報(bào)引入疊加示意圖

3 案例分析

3.1 背景情況

本文研究區(qū)域地處浙江沿海地帶，位于鰲江的最大支流一橫陽(yáng)支江上游，集水面積137.83 km2。流域范圍內(nèi)地形以低山丘陵為主，地勢(shì)高程約34～1 176 m。流域范圍內(nèi)以5°～15°的斜坡為主，約占28.7%；其次為15°～35°的陡坡，約占28.6%。流域內(nèi)最大坡度約69°，平均坡度約為18°。此外，橋墩水庫(kù)控制流域范圍內(nèi)山體坡向分布較均勻，除去平地外，其余八個(gè)方向的傾向分布較均勻，在12%～13%左右。

橋墩水庫(kù)流域范圍內(nèi)主要低山丘陵地區(qū)，土地類型多為林地，約占總面積的72.3%，另有水田8.81 km2，約占6.4%；旱地面積約6.64 km2，約占總面積的4.8%；水域面積約18.42 km2，約占總面積的13.3%；零星有村鎮(zhèn)分布，多為混凝土硬化路面，約占3.2%。流域?qū)儆诘湫湍戏綕駶?rùn)山區(qū)流域，模型參數(shù)取值如下。水庫(kù)控制流域及周邊可用的雨量遙測(cè)站點(diǎn)共有9處，依據(jù)泰森多邊形原理，對(duì)各個(gè)雨量站點(diǎn)進(jìn)行流域面積權(quán)重計(jì)算，用于后續(xù)面雨量計(jì)算。

表1 橋墩水庫(kù)次洪模型參數(shù)

以“2018.7.11臺(tái)風(fēng)”為例，對(duì)本次機(jī)制進(jìn)行預(yù)報(bào)進(jìn)行驗(yàn)證。依據(jù)相關(guān)資料，水庫(kù)上游河道水位較高，河道流量較大，在驗(yàn)證過程中，采用歷史臺(tái)風(fēng)降雨作為輸入條件進(jìn)行洪水模擬[10]，總計(jì)60 h，無基流輸入。由于前期雨量輸入缺失，導(dǎo)致預(yù)報(bào)流量及洪量整體偏低，導(dǎo)致洪峰流量誤差為16%，總洪量誤差為14%。

3.2 方法驗(yàn)證

采用滾動(dòng)預(yù)報(bào)機(jī)制進(jìn)行預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)同樣使用歷史臺(tái)風(fēng)降雨作為驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)[11]，與常規(guī)作業(yè)預(yù)報(bào)區(qū)別在于單次降雨輸入1 h雨量，并以當(dāng)前時(shí)刻預(yù)報(bào)成果作為下一時(shí)刻預(yù)報(bào)參數(shù)，累計(jì)預(yù)報(bào)60次。經(jīng)結(jié)果對(duì)比分析，滾動(dòng)預(yù)報(bào)成果與常規(guī)預(yù)報(bào)成果完全一致，洪峰流量誤差為16%，總洪量誤差為14%。

在此基礎(chǔ)上，前移歷史降雨開始時(shí)間，進(jìn)而增加歷史降雨輸入長(zhǎng)度至枯水期，增加滾動(dòng)預(yù)報(bào)次數(shù)。結(jié)果表明，該方法效果與傳統(tǒng)增加降雨輸入結(jié)果一致，模型精度逐步上升，前期及峰值預(yù)報(bào)過程與實(shí)測(cè)過程基本保持一致，洪峰流量誤差可下降至1%，總洪量誤差下降至4%。

但由于每次只需更新1 h降雨數(shù)據(jù)，因此預(yù)報(bào)計(jì)算時(shí)間基本固定，且大大小于枯水期至今的預(yù)報(bào)計(jì)算時(shí)間，從根本上解決了預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)輸入時(shí)段選擇對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果的影響，為自動(dòng)化預(yù)報(bào)提供了更為簡(jiǎn)單明了的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)輸入方式。上述結(jié)果表明該種方式下預(yù)報(bào)結(jié)果良好，滿足日常自動(dòng)洪水預(yù)報(bào)工作，可由計(jì)算機(jī)完全獨(dú)立完成預(yù)報(bào)工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了應(yīng)對(duì)中小流域河道基流數(shù)據(jù)缺失以及預(yù)報(bào)作業(yè)機(jī)制不完善的問題，以橋墩水庫(kù)上游流域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于新安江模型及滾動(dòng)預(yù)報(bào)機(jī)制進(jìn)行了日常預(yù)報(bào)作業(yè)機(jī)制的創(chuàng)新，并進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用滾動(dòng)預(yù)報(bào)機(jī)制后的可以較好的消除河道基流資料缺失對(duì)模型精度及后期參數(shù)率定的影響，適用性較強(qiáng)，可在整點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)完成更新后自動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)作業(yè)，大大降低了預(yù)報(bào)作業(yè)的難度，降低預(yù)報(bào)計(jì)算時(shí)間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，同時(shí)保證了預(yù)報(bào)精度，為后期參數(shù)更新提供了更加可靠的預(yù)報(bào)成果，適用于流域監(jiān)測(cè)設(shè)備較少的中小型流域進(jìn)行日常水文預(yù)報(bào)工作。