资水柘桃区间“140716”洪水与“150602”洪水分析与思考

余德华

（益阳水文水资源勘测局 益阳市 413002）

引 言

暴雨是影响柘桃区间的主要灾害性天气，暴雨引起的洪涝灾害给人民生命财产和国民经济建设带来巨大损失。资水柘桃区间为强降雨频发地区，受复杂的地形地貌条件和不稳定的气候影响，出现短历时、集中性降雨机率大，这些地区山高坡陡，地质多为破碎板页岩结构，岩层松散，结构力差，雨强大，产汇流速度快，为山洪地质灾害多发、易发区，极易引发山洪地质灾害。特别是近年来，极端天气现象增多，集中性降水、暴雨等极端天气在增加。在影响柘桃区间的各种洪水类型中，以暴雨洪水发生最为频繁，影响范围广，危害也最为严重。“140716”及“150602”暴雨强度罕见，就降雨空间分布、雨强及洪水形成因素而言，两场洪水极其相似，“150602”洪水量级较小，在于暴雨持续时间较短及柘溪下泄较小所致。两场暴雨洪水给资水柘桃区间造成了严重的经济损失。

1 流域概况及柘桃区间洪水

资水是长江流域洞庭湖水系的第三大河流。流域内丘陵、盆地约占40%，大部分布在上游和下游，山丘区约占50%，主要分布在中游，其余为平原湖区。

柘桃区间位于流域的暴雨中心，降雨多由低压、锋面、切变等天气系统所造成，一次降雨历时一般在3 d 左右，最长达6 d 以上，区间形成大洪水的集中暴雨一般在24 h 左右，为下游洪水的主要来源之一。柘桃区间面积只占柘溪以上流域面积的20%左右，但区间的洪峰流量一般却相当于柘溪坝址以上洪峰流量的50%～70%。

柘桃区间洪水有以下三种组合： ①柘溪以上洪水为主，区间洪水较小（包括洪峰错开）；②柘溪泄洪和柘桃区间年洪水相遇；③区间洪水较大，柘溪洪水较小。

2 “140716”洪水与“150602”洪水成因对比分析

2014年7月14日20 时至16日8 时，资水柘益区间发生了一次强降水过程，柘桃区间普降大到特大暴雨。本次过程降雨量达100 mm 以上的站点有52 个，其中达200 mm 以上的站点有30 个，达300 mm 以上的站点有11 个。受此降水影响，资水中下游水位迅速上涨，与此同时，柘溪电站入库不断增大，从7月15日14 时入库达6 000 m3/s 以上，湖南省防指调度下泄3 000 m3/s，16日2 时下泄4 000 m3/s，17日6 时随着入库流量的减小，下泄减至3 000 m3/s，8 时减至满发1 880 m3/s 下泄。

2015年6月2日凌晨2 时开始，安化县普降大到特大暴雨。本轮降雨12 h 内降水超50 mm 的站点有87 个，超100 mm 的有37 个，超200 mm 的有8个。受此降水影响，资水中下游水位迅速上涨，与此同时，柘溪电厂不断加大泄量。

3 预报方法

（1）API 模型。

①产流。API 模型以流域降雨产流的物理机理为基础，以主要影响因素作参变量，建立降雨量P与产流量R 之间的相关关系，常用的参变量有前期土壤含水量Pa、降雨历时、雨强、雨型、暴雨中心等，最常用的是三变量相关图：R＝f （P、Pa），Pat+1=K（Pt+Pat），三变量相关图制作简单，即按变数值（Pt、Rt）的相关点绘于坐标图上，并标明各点的参变量Pa 值，然后根据参变量的分布规律以及降雨产流的基本原理绘制Pa 的等值线族。

②汇流。流域汇流预报是指净雨量预报流域出口断面的洪水流量过程，包括地面径流、壤中流和地下径流汇流而汇集于出口断面的流量过程预报。单位线是指在给定的流域上，单位时段内分布均匀的1 单位净雨量的直接径流产流量所形成的流域出口断面流量过程线，记为UH。当实际降雨量和流量过程线分析推求UH 时，需做2 个假定：①如果单位时段内净雨深是n 个单位，它所形成的出流过程线的总历时与UH 相同，流量值则是UH 的n 倍。②如果净雨历时是m 个时段，则各时段净雨所形成的出流过程之间互不干扰，出口断面的流量过程等于m 个流量过程之和。

（2）新安江模型。

益阳市地处山区湿润气候带，径流的来源是降雨。多年的研究和实践表明这类地区的降雨产流机制主要是蓄满产流。因此采用三水源产流模型（SMS_3）、三水源滞后演算模型（LAG_3）、马斯京根河道分段连续演算（MSK）构建一套概念性模型预报方案。

①三水源产流模型（SMS_3）包括蒸散发计算、产流量计算和分水源计算三部分。

蒸散发计算：流域蒸散发量采用三层蒸发模式计算。

产流量计算：用流域蓄水容量曲线来考虑流域面上土壤缺水量与蓄水容量相等。设点蓄水容量为Wm，其最大值为Wmm，流域蓄水容量曲线是一条b次抛物线。当扣去蒸发后的降雨PE 小于0 时，不产流，大于0 时则产流。

产流又分局部产流和全流域产流两种情况：

当PE+a＜Wmm 时，局部产流量为：

当PE+a≥Wmm 时，全流域产流量为：

R=PE-（WM-W）

分水源计算：对湿润地区以及半湿润地区汛期的流量过程线分析，径流成分一般包括地表、壤中和地下这三种成分。

②三水源滞后演算汇流模型(LAG_3)：流域对净雨过程的作用表现为推移和坦化。净雨过程经过推移和坦化后变成洪水过程线。滞后演算法就是把洪水波运动中的平移与坦化两种作用分开且一次处理。

③马斯京根河道分段连续演算（MSK）：马斯京根法20 世纪30年代在美国马斯京根河首先使用，是一个经验性的方法，后被证明与扩散波理论是完全一致的，其参数的物理意义与函数形式都很明确，广泛应用于河道汇流演算。马斯京根法的基本原理是基于水量平衡方程：（I1+I2）-（O1+O2）=W2-W1和槽蓄方程W=K[xI+（1-x）O]=KQ′，式中：Q′=xI+（1-x）O。

柘溪水库入库流量预报方案：冷水江+冷柘区间。冷水江输入采用马斯京根河道连续演算法（MSK），冷柘区间输入采用蓄满产流模型（SMS_3）和滞后演算模型（LAG_3），区间其结构如图1。

图1 柘溪水库预报结构图

方案参数率定采用1996、2001、2003、2004、2005、2007、2009、2010、2012、2014年汛 期资料，模型检验采用1998、2002、2006、2011、2013年汛期资料进行检验。率定方法采用单纯形法，雨量权重计算采用泰森多边形法。柘溪站率定参数见表1。

表1 新安江模型率定参数（柘溪）

桃江站洪水预报方案：预报方案以柘溪出库+柘桃区间作为输入，河道汇流采用马法演算，区间产流采用新安江三水源蓄满产流模型计算，区间汇流采用流域滞后演算计算。区间输入采用蓄满产流模型（SMS_3）和滞后演算模型（LAG_3），其结构如图2。

图2 桃江站预报结构图

方案参数率定采用1995、1996、1998、2002、2008、2011、2012、2014年汛期资料，模型检验采用1994、1999、2004、2007、2010年汛期资料。率定方法采用单纯形法，雨量权重计算采用泰森多边形法。桃江站率定参数见表2。

表2 新安江模型率定参数（桃江）

通过对这些参数进行合理估计，实际应用中，由于不能建立这些参数与地形、植被和土壤特性之间的明确数量关系，参数的直接确定仍有一定的难度。新安江模型的输入简单，实用性强，在我国大部分地区已广泛应用，但其很多参数物理意义不明确，还需进一步研究。

4 原因分析

“140715”及“140716”洪水，根据柘桃区间降水及柘溪下泄，采用API 及新安江三水源模型综合分析于2014年7月16日3 时发布预报： 桃江站洪峰出现时间为7月16日22 时左右，洪峰流量7 800 m3/s，洪峰水位42.3 m。实况：桃江站洪峰水位42.67 m，实测流量8 500 m3/s，洪峰出现时间7月16日20时，之后水位回落，出现洪峰水位。7月16日5 时开始，安化境内再次普降大到特大暴雨，柘益区间水位再次上涨，根据柘桃区间降水及柘溪下泄，采用上述两种方法综合分析于7月16日9 时发布预报：桃江站洪峰出现时间为7月17日1 时左右，洪峰流量8 900 m3/s，洪峰水位43.0 m。实况：桃江站洪峰出现时间7月17日0∶35，洪峰水位42.93 m，实测洪峰流量8 930 m3/s。

“150602”洪水，根据柘桃区间降水及柘溪下泄，采用API 及新安江三水源模型综合分析于2015年6月2日15 时发布预报：桃江站洪峰出现时间为6月3日3 时左右，洪峰水位38.8 m，洪峰流量为4 200 m3/s。实况：桃江站于6月3日1 时出现洪峰，洪峰水位为38.71 m，实测洪峰流量为4 370 m3/s。

洪号“140715”预报值与实测值出入较大，原因：①“140715”暴雨强度大，下渗相对较小，产汇流快；②山塘及中、小型水库前期蓄水较多，下泄量预估过小；③降水主要集中在安化境内；④东坪、株溪口调度时堵洪1 h 时左右；⑤API 模型预报，前期土壤量Pa 值取值偏小。洪号“140716” 预报值与实测值接近，原因：①预估山塘及中、小型水库下泄量与实际下泄比较接近；②东坪、株溪口闸门全开泄洪，滞洪小； ③API 模型预报，Pa 值取值接近实况。洪号“150602” 预报值与实测值接近，原因：①雨强及降雨空间与“140715”暴雨极其相似，山塘及及中、小型水库蓄水较多，充分预估了其下泄量，预估与实际下泄比较接近；②柘溪按满发下泄，东坪、株溪口闸门全开泄洪，滞洪小；③API 模型预报，前期土壤量Pa值取值接近实况。预报值与实测值对比见表3。

5 几点思考

暴雨洪水产生于暴雨，暴雨形成于一定天气系统。由于特定流域内天气系统类型具有相对稳定的规律，使流域内暴雨过程得以重演，从而形成的洪水过程具有相似性。资水柘桃区间山洪灾害频发，影响洪水预报精度的不确定性因素很多，面对复杂多变的天气特征和受诸多人为因素影响的河道现状，有几个问题值得探讨：

表3 预报值与实测值对比表

（1）安化为暴雨频发区，而且近些年汛期暴雨与特大暴雨频发。山塘，中、小型水库的下泄流量根本无法获知，安化的山塘、水库下泄这块在洪水预报中不可忽视，这也是影响洪水预报精度的一个重要的不确定性因素。目前益阳市中小型水库水情自动测报系统及实时监控管理信息系统已建成，建议与水利部门对接，将山塘、水库数据库整合到水情数据。

（2）桃江的水位流量关系问题至关重要，它直接影响预报水位的准确性。近年来，桃江的水位流量关系年际间变化较大，时大时小，时小时大，这给洪水预报增添了难度，其结果是直接导致预报水位的准确性。因此建议桃江站在加强流量测验的前提下，在高洪水位下对桃江站上下一定范围内进行同步Z～Q 测验。

（3）柘溪以下梯级电站的调度问题。近年来，资水柘桃区间相继建成东坪、株溪口、马迹塘、白竹洲、修山5 级梯级电站，电站为挡水建筑物，对河道行洪自然有影响，给柘桃区间的洪水预报增添了不少不确定性因素。《资水柘溪以下梯级电站联调方案》经市、县防办，各梯级电站及有关人员反复讨论，并通过了专家评审，一致认为方案技术上合理、可行，因而市、县两级梯调小组成员务必严格按《联调方案》执行，同时防止各梯级电站无序泄洪，人为造峰，柘溪以下5 级梯级电站雨水情信息遥测系统已建成，建议与市水文局水情科实现信息共享与对接。

（4）资水柘桃区间的5 个梯级电站除马迹塘之外均在2005年以后才陆续建成，在构建新安江模型时，所采用的资料大多为梯级电站未建之前的资料（自2003年以来，桃江站除2014年发生了一场较大洪水过程外，其余年份为中小洪水），许多参数还有待进一步完善与优化。就新安江模型而言，具有三个方面的不确定性：一是模型参数的不确定性，这主要是由于水文变量和模型参数具有很大的随机性；二是水文过程的不确定性，主要是由于气象水文条件和水流运动的复杂性所引起的； 三是模型自身的不确定性，不同的模型或同一模型在不同的空间和时间分布下使用同样的参数可能会得到较大差别的计算结果。提高洪水预报精度，不仅需要能客观反映流域下垫面条件差异性及其水文响应的水文模型，而且还需要准确的降雨时空信息。

（5）加强河道管理。资水柘桃区间位于流域的暴雨中心，暴雨产生的泥石流、山体滑坡、洪涝灾害频发，河道行洪能力明显减弱。建议加强采砂整治，对乱建、滥倒等破坏侵占河道的违法行为加大打击力度。

（6）加强技术队伍培养。洪水预报相对复杂，如何建立集雨水情信息采集、查询、预报与调度为一体的高效的洪水预报系统，提高洪水预报的精度和延长有效预见期，为防洪调度及防灾减灾争取主动、最大限度地减少经济损失提供决策支持和服务。笔者认为需定期举办如现代水文模拟与预报技术、模型预报、3S 技术、通信网络、数据库等方面的培训。

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