胡 志 鵬

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

我國山區(qū)中小流域地貌陡峻，河道坡降大，流域降雨強(qiáng)度大且集中，洪水具有暴漲暴落的特點(diǎn)，產(chǎn)生的山洪災(zāi)害已成為防災(zāi)減災(zāi)的重點(diǎn)[1-3]，對人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅[4-5]。

洪水預(yù)報(bào)是重要的防洪非工程措施，可靠的洪水預(yù)報(bào)是防洪決策中的重要依據(jù)[6]。水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)理論模型側(cè)重模擬結(jié)果的精度，而不考慮輸入與輸出之間的物理因果關(guān)系，因此又被稱為黑箱子模型[7]，降雨徑流相關(guān)模型就是其中一種。該方法在成因分析與統(tǒng)計(jì)相關(guān)結(jié)合的基礎(chǔ)上，用每場降雨過程流域的面平均雨量和相應(yīng)產(chǎn)生的徑流量，以及影響徑流形成的主要因素建立起來的一種定量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[8]。相關(guān)降雨徑流研究結(jié)果表明[9]，降雨徑流預(yù)報(bào)方法簡單，具有一定的精度，在實(shí)際工作中應(yīng)用較為廣泛[10]。

白水江流域地處岷山山脈東部，流域洪水主要由降雨形成，洪水出現(xiàn)的時(shí)間與降雨相應(yīng)，年最大洪峰流量均出現(xiàn)在5～10月，主要發(fā)生在7～9月。流域建有水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)采集流域相應(yīng)位置水雨情信息。其中上游建有大錄水文站，控制集水面積1 191 km2，地理位置位于東經(jīng)103°41.471′，北緯33°35.369′，現(xiàn)有水位、流量、降雨等觀測項(xiàng)目。水文站以上流域建有卡美、亞隆及神仙池雨量站。研究根據(jù)大錄水文站及上游雨量站的前期水文資料，建立降雨徑流水文模型，進(jìn)行水文站斷面洪水預(yù)報(bào)。

2 產(chǎn)匯流時(shí)間分析

大錄水文站以上流域面積為1 191 km2，大錄水文站上游流域水系圖見圖1。采用泰森多邊形法，利用ArcGIS將流域劃分為4個(gè)子流域，并計(jì)算大錄水文站以上流域面小時(shí)平均雨量?？?、亞隆及神仙池雨量站分別距大錄水文站的河道距離為23.679 km、29.489 km及19.264 km。

圖1 大錄水文站上游流域水系圖

大錄水文站2005年至2020年汛期共計(jì)261次測流數(shù)據(jù)，平均流速為1.76 m/s，最大流速為3.2 m/s(相應(yīng)流量為72.6 m3/s)，最小流速為0.93 m/s(相應(yīng)流量為10.1 m3/s)。根據(jù)河道距離與流速計(jì)算卡美、亞隆及神仙池雨量站區(qū)域至大錄水文站斷面的河道匯流平均時(shí)間分別約為1.9 h、2.3 h及1.8 h。研究表明九寨溝林下地表徑流產(chǎn)流時(shí)間在38～72 min之間[11]。綜上，計(jì)算得到大錄水文站上游流域產(chǎn)匯流平均時(shí)間約為2.8 h，以此篩選研究流域內(nèi)小時(shí)降雨及徑流資料。

通過篩選及整編分析，選擇2017年、2020年的小時(shí)降雨事件前后3 h無降雨發(fā)生的典型時(shí)段數(shù)據(jù)，分析降雨發(fā)生時(shí)段距大錄水文站測驗(yàn)斷面洪峰發(fā)生的時(shí)間。大錄水文站上游流域發(fā)生降雨，且降雨發(fā)生前后3 h無其他降雨發(fā)生，水文站斷面距降雨發(fā)生時(shí)段后平均3 h出現(xiàn)洪峰。已有的產(chǎn)流時(shí)間研究成果結(jié)合河道距離、流速計(jì)算得到的峰現(xiàn)時(shí)間與實(shí)測降雨徑流資料分析結(jié)果一致。大錄水文站測驗(yàn)斷面在上游發(fā)生降雨，水文站測驗(yàn)斷面平均峰現(xiàn)時(shí)間為3 h。2017年7月15日和2020年8月8日大錄水文站峰現(xiàn)時(shí)間分析圖見圖2、3。

圖2 2017年7月15日大錄水文站峰現(xiàn)時(shí)間分析圖

圖3 2020年8月8日大錄水文站峰現(xiàn)時(shí)間分析圖

3 降雨徑流預(yù)報(bào)模型

3.1 降雨徑流關(guān)系分析

3.2 綜合洪水退水曲線提取

流域降雨徑流預(yù)報(bào)方案的建立是以實(shí)測資料為依據(jù)，綜合洪水退水曲線的提取應(yīng)根據(jù)流域歷年實(shí)測洪水退水段流量資料。根據(jù)豐、平、枯水平年實(shí)測資料情況，按照20 m3/s至150 m3/s洪峰流量級，選擇大錄水文站實(shí)測小時(shí)退水流量過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，洪水場次選擇明細(xì)表見表1。

表1 洪水場次選擇明細(xì)表

將上述洪水退水段流量點(diǎn)繪在一張圖上，在水平方向上移動(dòng)各次洪水退水段，使其尾部重合，作外包線并進(jìn)行相關(guān)修正，即為大錄水文站斷面洪水綜合退水曲線，大錄水文站斷面洪水綜合退水曲線圖見圖4。

圖4 大錄水文站斷面洪水綜合退水曲線圖

3.3 預(yù)報(bào)方案建立

4 預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

選擇“2012/08/20”“2014/05/22”“2014/05/23”“2014/05/26”“2021/09/19”“2021/09/27”“2021/10/06”7場洪水流量過程作為檢驗(yàn)樣本，對降雨徑流預(yù)報(bào)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，得到7場洪水預(yù)報(bào)過程，洪水流量過程預(yù)報(bào)誤差分析見表2，洪峰流量預(yù)報(bào)誤差分析見表3。洪水流量過程絕對誤差、相對誤差最大值分別為11.04 m3/s、44.5%，均出現(xiàn)在2014年5月26日場次洪水；絕對誤差、相對誤差平均值分別小于2 m3/s、5%；確定性系數(shù)的平均值為0.93。各場洪水的實(shí)測洪峰流量與預(yù)報(bào)洪峰流量的絕對誤差、相對誤差分別6.7 m3/s、11.49%，分別出現(xiàn)在2021年10月6日、2021年5月23日場次洪水；相對誤差均在12%以內(nèi)，預(yù)報(bào)精度符合規(guī)范要求。洪水過程及洪峰流量預(yù)報(bào)效果較好。

表2 洪水流量過程預(yù)報(bào)誤差分析表

表3 洪峰流量預(yù)報(bào)誤差分析表

5 結(jié) 語

以白水江流域?yàn)檠芯繉ο?，結(jié)合流域水情系統(tǒng)，面向生產(chǎn)實(shí)際，研究大錄水文站5～10月的小時(shí)降雨徑流關(guān)系，建立預(yù)報(bào)模型。模型采用水文站建設(shè)以來的2006～2020年逐時(shí)流量和降雨資料進(jìn)行模型參數(shù)率定和檢驗(yàn)。該方法實(shí)現(xiàn)了大錄水文站斷面的實(shí)時(shí)徑流預(yù)報(bào)，為白水江梯級水電站充分利用水資源、防洪減災(zāi)、發(fā)電計(jì)劃等提供參考。