楊 彬 包松林 聶 帥 白 音 劉子嘉 趙文貴

（內蒙古自治區(qū)水旱災害防御技術中心，呼和浩特 010020）

0 引 言

我國地處東亞季風區(qū)，暴雨頻發(fā)，地質地貌環(huán)境復雜，加之人類活動劇烈，導致山洪災害發(fā)生頻繁，成為世界上山洪災害最為嚴重的國家之一[1]。山洪主要發(fā)生在山丘區(qū)流域面積較小的溪流中，具有季節(jié)性強、區(qū)域性強、突發(fā)性強、破壞性強、預報難度大等特點，極易造成大量人員傷亡和財產損失，嚴重制約山丘區(qū)社會經濟發(fā)展。2010年后，我國在全國范圍內全面開展了山洪災害防治非工程措施建設，經歷4 個階段（2010—2012 年、2013—2015 年、2016—2020年、2021—2023年）的非工程措施項目建設，逐步形成了以非工程措施為主、工程與非工程措施相結合的防御體系[2-3]。

當前，國家對新時期水旱災害防御工作提出了全力做好預報、預警、預演、預案以下簡稱“四預”的措施要求，落實到山洪災害防治上，則以小流域為單元開展“四預”工作。目前，我國中小流域暴雨洪水模擬與預報研究方面主要經歷了經驗預警法、預警指標法、流域水文模型法等[4-5]，相關推理公式操作簡單，在山洪災害防御工作中已廣泛應用，但公式物理意義不足。隨后集總式水文模型在大江大河等流域洪水預報中開始應用，集總式水文模型將流域作為整體進行分析，對小流域下墊面空間特性變化考慮不足，在山丘區(qū)小流域洪水模擬分析中應用效果一般[6]，且由于小流域地區(qū)水文資料匱乏、下墊面條件復雜多樣，導致暴雨洪水分析難度較大[7]。1949年后，內蒙古自治區(qū)發(fā)生多次山洪災害事件，如2018年巴彥淖爾市多條河床因強降雨天氣發(fā)生山洪，沖毀多處堤防及基礎設施并導致增隆昌水庫發(fā)生潰壩險情，38個蘇木（鄉(xiāng)、鎮(zhèn)）14.63萬人不同程度受災，緊急轉移9 341人，造成直接經濟損失5.3億元。

為此，本文充分考慮內蒙古自治區(qū)全域下墊面實際情況，構建分布式水文模型集群，通過試點流域應用，評估該模型在小流域預報體系進行洪水預報的模擬精度及適用性。內蒙古自治區(qū)小流域洪水預報模型的構建可對區(qū)內洪水進行預警預報、風險評估、洪水管理，為防洪減災、洪水災害防治規(guī)劃和當?shù)貨Q策提供科學依據。

內蒙古自治區(qū)位于我國北部邊疆，東西跨度大，國土面積118.3萬km2，平均海拔1 000 m 左右，地勢總體西高東低，南高北低，如圖1所示。全區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，區(qū)內氣候復雜多變，年內氣溫變化較大，年平均氣溫2～14 ℃；降水量少且分布不均勻，主要集中在夏季，且東西差異大，年降水量50～450 mm，自東向西逐漸遞減，大興安嶺和陰山年平均降水量400～500 mm，最西端阿拉善盟年平均降水量減少至100 mm 以下[8]；年均蒸發(fā)量地帶性明顯，從東向西和從南向北均有逐步升高趨勢，最低值出現(xiàn)在大興安嶺森林區(qū)東部，不足1 200 mm，大部分地區(qū)蒸發(fā)量在1 200 mm以上[9]。

圖1 內蒙古自治區(qū)地理位置及站點分布圖

根據2000 年歐洲航天局300 m×300 m 土地利用土地覆蓋資料，內蒙古自治區(qū)內主要植被類型為草地、裸地、林地、耕地和水體、濕地、建設用地等，如圖2（a）所示。根據數(shù)據高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據可計算得到內蒙古自治區(qū)坡度數(shù)據，如圖2（b）所示。土壤類型數(shù)據采用1995 年的中國土壤類型空間分布數(shù)據，如圖2（c）所示。區(qū)內地質構造復雜，空間變化顯著，多數(shù)土壤抗蝕性較弱，水土流失較為嚴重，蓄水能力差，受地形、水流切割作用明顯，極易形成較大沖擊力的地表徑流，導致山洪暴發(fā)。

圖2 內蒙古自治區(qū)土地利用、坡度帶和土壤類型圖

內蒙古自治區(qū)山洪災害非工程措施體系建設開始于2010年，目前已建成覆蓋全部山洪災害防治區(qū)的監(jiān)測預警系統(tǒng)。經過初步調查，內蒙古自治區(qū)山洪災害防治區(qū)面積為20.72 萬km2，人口467.7 萬人，涉及12 個盟（市），76 個旗（縣、區(qū)），521 個蘇木（鄉(xiāng)、鎮(zhèn)）、3 920 個行政村、9 988 個自然村，8 272 個危險區(qū)，3 946 個企事業(yè)單位數(shù)。全區(qū)共建設3 203 處自動監(jiān)測站點，集成氣象、水文等多元數(shù)據構建多級山洪災害監(jiān)測預警平臺，初步形成以實時降雨為基礎的山洪災害監(jiān)測預警防御模式，但在小流域洪水的預報預警方面十分匱乏，小流域洪水“四預”能力不足。

1 小流域劃分及洪水預報模型構建

1.1 小流域劃分

為開展山洪災害非工程措施建設，國家組織對全國小流域進行了劃分，形成了全國小流域基礎數(shù)據集，為小流域洪水預報提供了數(shù)據基礎。內蒙古自治區(qū)共劃分了53 442 個小流域，總流域面積約90.18 萬km2，單個小流域面積10～50 km2，平均面積16.87 km2，其中小流域面積為10～20 km2的，占全區(qū)所有小流域的38.5%[10]，小流域主要存在以下問題：面積整體偏小、部分小流域水系不完整、與旗（縣、區(qū)）級行政區(qū)邊界存在沖突。因此，在全區(qū)范圍內逐小流域進行洪水預報分析，實現(xiàn)小流域“四預”措施的任務量過大且過于繁瑣，對實時算力要求較高，小流域洪水預報體系構建難度較大。

為解決內蒙古自治區(qū)小流域洪水預報過程中存在的困難，首先對全區(qū)小流域進行整合，重新構建小流域分區(qū)，以整合劃分后的小流域分區(qū)為基本單元對暴雨洪水過程的計算方法分析研究，在保證小流域特性的前提下盡可能簡化建模過程。構建小流域分區(qū)主要遵循以下原則：①構建小流域分區(qū)內小流域臨近，河流流向近似且為同一河流的支流；②構建的模型分區(qū)面積范圍控制在50～200 km2；③模型分區(qū)內各小流域植被覆蓋條件、土壤條件、坡度等下墊面條件相似；④對于跨盟（市）小流域依據盟（市）邊界及河流分布進行調整，盡量保證模型分區(qū)不跨邊界；⑤保證水系的完整性，支流無遺漏。

基于全國山洪災害防治小流域基礎數(shù)據集，按照小流域分區(qū)劃分原則，構建小流域的空間拓撲關系，提取小流域特征屬性指標，對內蒙古自治區(qū)小流域進行整合分析，重新劃分了5 935 個小流域分區(qū)作為洪水預報單元。對重新劃分后的小流域分區(qū)面積和坡度進行統(tǒng)計，見表1，整合后的小流域分區(qū)平均面積為152.33 km2，主要集中在100～200 km2，約占總分區(qū)面積的80%；而坡度集中在0.02～0.25，占比約82%。

表1 內蒙古自治區(qū)小流域分區(qū)面積、坡度統(tǒng)計

參考全國山洪災害預報預警模型集群劃分情況，以小流域分區(qū)為基本分析單元，根據內蒙古地域特性和流域相似性，將模型集群劃分為20個水文模型分區(qū)，如圖3所示，實現(xiàn)全區(qū)小流域洪水預報模型并行快速計算分析。

圖3 內蒙古自治區(qū)小流域洪水預報水文模型分區(qū)

1.2 小流域洪水預報模型構建

根據小流域分區(qū)成果，依據分區(qū)內氣候、水文、下墊面等基本情況，基于內蒙古自治區(qū)山洪災害調查評價成果，提取小流域分區(qū)的土地利用、植被、坡面糙率、坡度、土壤質地等屬性數(shù)據[11]，集成完整的流域水系和水文模型拓撲關系，對每個分區(qū)分別構建降雨模型、蒸散發(fā)模型、產流模型、匯流模型、河道演進模型，其中流域面積、穩(wěn)滲率、河流長度、河道比降等模型基本初始參數(shù)可通過全國小流域數(shù)據集進行提取，氣象短臨預報雨量和實時監(jiān)測雨量為輸入，洪峰流量、洪現(xiàn)時間等洪水要素為輸出，在全區(qū)范圍內建立滿足小流域洪水預報分析的模型集群，內蒙古小流域洪水預報模型框架如圖4所示。

圖4 內蒙古自治區(qū)小流域洪水預報模型框架

1.2.1 暴雨及蒸散發(fā)模型

模型輸入實測降雨為點雨量，暴雨模型基本采用泰森多邊形法[12]，將點雨量轉為小流域面雨量，對于流域內及流域周邊降雨資料較少或雨量站密度不足的區(qū)域，在參數(shù)率定過程中綜合考慮反距離加權法[13]。為滿足全區(qū)不同氣候條件下的蒸散發(fā)計算，對氣候較濕潤的嫩江流域部分地區(qū)采用新安江三層蒸發(fā)模型，對全區(qū)其他半濕潤半干旱地區(qū)及干旱地區(qū)采用FAO Penman-Monteith法[14]進行計算。

1.2.2 產流模型

由于內蒙古自治區(qū)地區(qū)東西跨度大，氣象水文特征差異明顯，因此全區(qū)小流域產流機制復雜多變，受流域幾何特征及下墊面條件影響十分明顯。充分考慮地區(qū)產流特性和各產流模型在全區(qū)的適用條件，對內蒙古地區(qū)產流模型進行劃分，滿足各小流域產流分析計算。內蒙古自治區(qū)東北部地區(qū)嫩江水系流域，氣候較為濕潤，植被覆蓋較好，產流方式多以蓄滿產流為主，主要采用新安江三水源產流模型[15]；額爾古納河流域東部、河套平原地區(qū)、東南部霍林河內流區(qū)、大凌河水系、灤河水系流域，處于半濕潤半干旱區(qū)，氣候偏濕潤，下墊面條件復雜，以蓄滿產流為主，部分為超滲產流，本次采用PRMS產流模型[16]；中部內蒙古內流區(qū)、永定河水系、黃河流域、鄂爾多斯內流區(qū)地區(qū)為半濕潤半干旱地區(qū)，年降雨量較少，產流方式多以超滲產流為主，部分區(qū)域兼顧蓄滿產流，本次采用垂向混合產流模型[17]；西部干旱地區(qū)，包括阿拉善大部以及鄂爾多斯部分地區(qū)，站點分布較為稀疏，降雨多集中于汛期，選擇適用于無資料地區(qū)超滲產流的初損后損產流模型[18]。

1.2.3 土壤含水量分析模型

根據產流模型可分析出各小流域對應的土壤含水參數(shù)，再根據土壤墑情監(jiān)測數(shù)據分析得出土壤含水量，但由于實測降雨徑流資料缺失、模型簡化概化的限制，概化出的土壤含水量具有較大的不確定性?？紤]到實際應用，暫時采用消退系數(shù)模型（前期影響雨量模型）進行土壤含水量估算分析，模型參數(shù)最大蒸發(fā)能力、最大土壤含水量來源于《內蒙古自治區(qū)水文手冊》中氣象站蒸發(fā)量特征值成果表和流域最大初損雨量值成果，最后依據實測土壤墑情數(shù)據進行校核驗證分析。

1.2.4 匯流及洪水演進模型

匯流模型主要采用標準化單位線法[19]，在不依賴降雨、徑流實測水文資料的情況下，基于25 m DEM 數(shù)據和國家統(tǒng)一發(fā)布的土壤地質及植被利用信息，綜合考慮流域地形、地貌、植被等下墊面及流域大小、形狀等特性，預設不同暴雨重現(xiàn)期（2～100 a）、不同時段（10～60 min）的標準化單位線，滿足山丘區(qū)無水文資料的不同下墊面條件的各個小流域的匯流特性，以25 m網格為基本單元進行匯流分析計算，在計算中局部地區(qū)可根據當?shù)鼐C合單位線實際情況進行補充分析。河道演進模型主要考慮小流域平均坡度和無資料地區(qū)河道，在灘地、坡度較緩等平原區(qū)采用考慮洪水漫灘的流量修正方法[20]，山丘區(qū)主要采用馬斯京根流量演算法[21]。內蒙古小流域洪水預報模型構建如圖5所示。

圖5 內蒙古自治區(qū)小流域洪水預報模型構建圖

1.3 精度評定方法

根據內蒙古自治區(qū)小流域山洪防御工作實際和水文預測預報精度評定的有關要求，本次采用的精度評定參考標準有洪峰流量相對誤差（RQ）、峰現(xiàn)時差（ΔT）和確定性系數(shù)（DC）。其中RQ和ΔT的最優(yōu)值為0，DC的最優(yōu)值為1，詳細計算公式如下：

式中：Qs和Q0分別為預報洪峰流量和實測洪峰流量，m3/s；Ts和T0分別為預報峰現(xiàn)時間和實測峰現(xiàn)時間，h；Qs(i)和Q0(i)分別為i時刻對應的預報洪峰流量和實測洪峰流量，m3/s；-Q0為實測平均流量，m3/s。

根據水利部《水文情報預報規(guī)范》[22]，峰現(xiàn)時差（ΔT）在±3 h 以內為合格，洪峰流量相對誤差（RQ）在±20%以內為合格；峰現(xiàn)時差和洪峰相對誤差均合格則可記為1 次合格次數(shù)，合格次數(shù)與預報總次數(shù)的比記為合格率。合格率大于85%或確定性系數(shù)大于0.9為甲等精度；合格率70%～85%或確定性系數(shù)0.7～0.9 為乙等精度；合格率60%～70%或確定性系數(shù)0.5～0.7 為丙等精度。達到甲、乙級精度可以發(fā)布正式預報，達到丙級精度可以進行參考性預報。

2 試點流域應用案例

2.1 試點流域基本情況

本文選取位于赤峰市喀喇沁旗的錫伯河上中游流域作為試點應用流域，錫伯河是老哈河的主要支流之一，全長116.7 km?？咂焓莾让晒抛灾螀^(qū)山洪災害防治旗（縣、區(qū)）之一，1949—2022年，共發(fā)生較大的山洪災害事件100多起，受山洪災害威脅嚴重。流域內錦山水文站位控制集水面積1 438 km2，包含85 個小流域，9 個重新劃分后的小流域分區(qū)，平均坡度為0.34，區(qū)域內共有1個水文站，5個雨量站（圖6）。

圖6 錫伯河上游流域水系分布圖

2.2 場次洪水模擬結果及評價分析

本研究收集了錫伯河流域1984—2005 年22 年降水徑流數(shù)據、氣象數(shù)據（包括每日平均氣溫、風速、相對濕度、日照等）、蒸散發(fā)數(shù)據、DEM 數(shù)據（25 m×25 m）、土壤類型數(shù)據和土地利用數(shù)據，以及小時降雨和徑流監(jiān)測數(shù)據。

在錫伯河試點流域內，降雨模型方法選用泰森多邊形法，蒸散發(fā)模型方法選用Penman-Monteith 法，產流模型方法選用垂向混合產流模型法，匯流模型方法選用標準化單位線法，洪水演進模型方法選用馬斯京根流量演算法，小流域洪水預報模型模擬時間步長為0.5 h。

使用小流域洪水預報模型對錫伯河流域進行洪水模擬計算，通過模擬流量與實測流量的對比分析來評估模型精度。對數(shù)據進行簡單分析，剔除數(shù)據缺失嚴重需要大量插值和缺乏代表性的降雨徑流事件，最終選取“1984.6.3”“1986.7.21”“1989.6.4”“1992.7.29”“1994.7.13”“1996.6.16”“2000.7.27”場次這7 場洪水，設定其為模型率定期，“2004.6.22”和“2005.7.31”場次洪水為模型驗證期，具體場次洪水率定期和驗證期模擬結果如圖7 和圖8 所示。試點流域洪水模擬結果評價情況如表2 所示，率定期共有7 場洪水：其中相對誤差在±20%以內的場次達到6 場，合格率是86%，達到甲等精度；峰現(xiàn)時間誤差在±3 h 以內的場次達到6場，合格率為86%，達到甲等精度，峰現(xiàn)時間誤差在±2 h 以內的場次達到6 場，合格率為86%，其中5 場峰現(xiàn)時間誤差均在±1 h 以內。根據水文情報預報規(guī)范合格的要求，平均確定性系數(shù)為0.70，達到了乙等精度，率定期和驗證期有4 個場次達到0.8 以上。驗證期共2 場洪水，洪峰相對誤差均在±10%以內，且峰現(xiàn)時間誤差在±1 h 以內，全部符合水文情報預報規(guī)范合格的要求，合格率為100%，達甲等精度。其中確定性系數(shù)均值為0.76，達到乙等精度。率定期及驗證期在模型中模擬與實測對比結果圖見圖7 和圖8。本模型具有良好的精度，達到了應用水平。

表2 試點流域洪水模擬結果評價情況表

圖7 試點流域場次洪水率定期模擬結果

圖8 試點流域場次洪水驗證期模擬結果

由上可知，內蒙古小流域洪水預報模型在錫伯河試點流域中能夠較好地模擬反映試點流域不同尺度、不同量級的洪水變化情況，其洪峰流量和峰現(xiàn)時間模擬誤差較小，整體精度能夠滿足小流域洪水預報預警工作。

3 結語與展望

本文根據內蒙古自治區(qū)實際情況，重新整合劃分小流域分區(qū)，以小流域分區(qū)為基本分析單元，有效簡化了全區(qū)小流域建模過程，通過分布式水文模型集群構建了全區(qū)小流域洪水預報體系，并在錫伯河上游試點流域進行應用分析，在試點流域洪水模擬情況良好，能夠有效提高該流域內洪水預報能力，為水旱災害“四預”工作提供科學參考。

（1）根據內蒙古自治區(qū)的小流域下墊面條件、盟（市）邊界、模型分區(qū)面積范圍、水系完整性等條件對區(qū)內全部小流域進行整合，重新劃分了5 935 個小流域分區(qū)作為洪水預報分析單元。

（2）根據內蒙古地域特性和流域相似性，以小流域分區(qū)為基本分析單元，劃分為20 個水文模型分區(qū)，依據分區(qū)內氣候、水文、下墊面等基本情況構建滿足小流域洪水預報分析的模型集群，模型初始參數(shù)可通過全國小流域數(shù)據集進行提取，在全區(qū)具有一定的普遍適用性和推廣性。

（3）在錫伯河進行試點流域應用分析，9場洪水中，8場洪水的洪峰流量誤差在20%以內，8 場洪水的峰現(xiàn)時間誤差在±3 h 以內。其中率定期和驗證期洪峰流量和峰現(xiàn)時間誤差合格率在86%以上，達到了甲等精度，確定性系數(shù)均值大于0.7，達到了乙等精度。該模型在試點流域洪水預報誤差較小，模擬預報精度能夠滿足小流域洪水預報預警要求。

小流域洪水預報過程中受到人類活動、降雨等因素影響較大，且多數(shù)小流域降雨徑流資料不足或屬于無資料地區(qū)，因此，需要在今后不斷優(yōu)化調整自動監(jiān)測站網布設，通過迭代率定不斷完善修正模型參數(shù)，同時，通過參數(shù)區(qū)域化等方式克服無資料地區(qū)模型率定的困難，并逐步在內蒙古自治區(qū)全區(qū)推廣應用，完善內蒙古自治區(qū)小流域洪水預報體系。