秋浦河五变数合轴相关洪水预报方案构架

焦显松，程远平， 舒 州

(安徽安庆水文水资源局，安徽 安庆 246003)

长江流域秋浦河水系洪水预报方案是安徽省中小河流洪水预报方案中的重要内容，本方案采用五变数降雨径流合轴相关予以构架，系统输入端分别为5个(南源、兰关、贡溪、矶滩、石台)雨量站降雨量，以洪水预报主要输出水文要素(净雨量P(mm)、前期影响雨量Pa(mm)、径流深R(mm)、洪峰流量(m3/s)、洪峰水位Z(m))作为五变数相关图的构成轴。[1]研究内容主要包括泰森多边形面雨量计算、产汇流计算、单峰及复式峰基流分割、预报成果统计及评定等方面的内容。

1 概述

1.1 流域概述

秋浦河发源于祁门山脉的大洪岭，流域面积2 235 km2，流域平均海拔高程131 m，流域坡度7.02 dm/km2，形状系数0.611，河道坡度1.29‰。

秋浦河流域属亚热带季风气候区，四季分明，气候温和，光照充足，无霜期长。因地处大气环流冷暖交汇的过渡地带，境内降雨丰沛集中，时空分布极不均匀，极易发生洪、涝、旱等多种自然灾害。降雨主要集中在夏秋季节，汛期(5—9月份)降雨量约占全年降雨的60%左右。流域内多年平均气温16.5°C，年均无霜期220 d，常年主导风向冬季为东北风，夏季为西南风，一般平均风速1.9～2.8 m/s。径流年际变化大，干旱年径流深为300～500 mm，丰水年径流深可达900～1 400 mm；径流年内分配极不平均，4—7月份径流占全年的50%～70%，而8—9月份径流深只占全年的10%左右。

1.2 测站概述

高坦水文站位于池州市贵池区梅村镇(原高坦乡)罗田村，地理坐标为东经117°21′—117°43′，北纬30°01′—30°22′，高坦水文站以上流域集水面积1 077 km2。

高坦水文站1951年由长办设立，1959年5月下迁2 km于泥湾处，1962年6月又迁回高坦原断面，1963年5月基本水尺断面向上游迁移200 m，观测至今。

测验河段较顺直，上游左岸500 m有小河汇入。主流偏左岸，左岸树木较多，右岸滩地宽约90 m，河床为卵石沙砾组成，相对稳定，由于下游河道取砂，测验河段河床缓慢下降。211省道公路桥上设有左分流测验断面。基本断面处水位在27.50 m左右时，左分流开始过水。

本站采用冻结基面，减1.852 m即为黄海基面。

2 五变数降雨径流合轴相关洪水预报方案构架流程

五变数降雨径流合轴相关洪水预报方案由 3个模块组成,模块1(历史洪水拟合模块)、模块2(实时洪水预报计算模块)、模块3(水文要素输出模块)组成。三个模块通过计算机编程语言嵌合控制成为一个有机整体，并支持数据库为SQL2010以上。

模块1基于水文要素历史数据库基础之上，第一步流程分别计算前期影响雨量[2]Pa、净雨P，并进行地下基流分割，计算场次径流深R，构架P-Pa-R相关关系图；第二步流程以主要的影响因素(降雨历时t)作为参变量，建立洪峰水位Z和径流深R的相关关系，构架R-t-Z相关关系图；第三步流程统计分析历年洪峰水位Z、洪峰流量Q关系，构架洪峰水位Z、洪峰流量Q(水文要素字母代表意思下同)[3]相关关系图。

模块2链接水情遥测实时数据库，跟踪实时雨水情，并设定洪水预报雨水情预警阙值，若达到预警阙值系统自动提醒洪水预报作业人员开始实时雨水情预报作业，自动刷新洪水预报场次过程雨水情并计算洪水预报作业时间段相关输入端水文要素P、Pa、t值，根据相应水文要素特征值返查模块1五要素合轴相关图所对应的水文要素值，并实时显示在可视化窗口界面。

模块3根据可视化窗口显示的预报结果要素初值，结合历史洪水情况、下垫面要素情况、河段附近工情，做出合理判断后作为对外洪水情报预报发布的依据。水文要素达到预警阙值时并经人工矫正检验合格后实时上报水文要素预报结果并通过统一发布平台对社会实时发布预报结果，为防汛决策部门提供技术支撑。

五变数降雨径流合轴相关洪水预报方案构架流程图(见图1)。

图1 五变数降雨径流合轴相关洪水预报方案构架流程图

3 方案历史洪水拟合及应用

3.1 资料收集

收集高坦水文站1990年以后实测水位、流量、蒸发量(高坦水文站在1993年以前采用80 cm套盆蒸发皿观测，从1993年开始采用E601型蒸发皿观测，统一换算成E601型资料系列进行分析)以及次洪峰水文要素资料，雨洪配套站南源、兰关、贡溪、矶滩、石台等站降雨量(含时段、日、年)。

3.2 方案设计流程水文要素分析计算

3.2.1 面降雨量计算

泰森多边形法是水文预报中计算流域平均雨量的常用方法，计算公式为

(1)

pi—流域各雨量站点降雨量，mm；

n—流域内面雨量站数。

高坦站面雨量计算站点南源、兰关、贡溪、矶滩、石台降雨量采用泰森多边形计算，各雨量站点权重系数采用分析计算成果，秋浦河高坦站流域参数(见表1)。

表1 秋浦河高坦站流域参数表

3.2.2 基流分割

基流依据实测流量采用斜割法分割基流，在实测流量过程线上用斜线把场次洪水流量过程分割成直接径流和基流两部分。单峰、复式峰切割基流时起终点控制应选取起涨水位和退水水位基本一致、流量基本一致的时间节点，复式峰切割基流注意洪峰过程线和基流切割线不出现交叉。

3.2.3 绘制P-Pa-R、R-t-Z、Z-Q相关图

依据历史数据分析计算的各水文要素值，依据前期影响雨量Pa分为3个(Pa<17 mm；17 mm45 mm)区间段点绘3条P-Pa-R相关图；依据降雨历时(t<10 h；10 h20 h)相关图；分别点绘3条R-t-Z，统计历史Z、Q数据，点绘Z-Q相关图。各水文要素相关关系图数据写入数据库指定表中，作为实时洪水预报的基础表。五变数降雨径流合轴相关图(见图2)。

图2 五变数降雨径流合轴相关图

3.3 历史洪水水文要素拟合及评定

用1990—2014年共23场次历史洪峰资料验证模型模拟历史洪水水文要素预报合格情况；径流深R的合格率91%，水位因子的合格率65.2%(以0.30 m作为许可误差)，洪峰流量合格率为87%。

从表1可知，径流深、流量要素评定为甲等方案[4]，水位要素评定为丙等方案，综合评定为乙等方案。

次洪模型预报拟合要素R、Z、Q的合格率及等级(见表2)，模型历史洪水拟合统计表(见表3)。

表2 次洪模型预报拟合要素R、Z、Q的合格率及等级表

表3 高坦站历史洪水拟合统计表

3.4 实时洪水预报方案应用

将构架后的五变数合轴相关洪水预报方案应用于2015—2017年这3年场次的洪水预报中，该站预报因子径流深预报最大误差16 mm，相对误差10.8%，最小预报误差11 mm，相对误差4%。水位因子最大误差0.11 m，最小误差为0.05 m，预报因子合格率均为100%。洪峰预报流量最大误差617 m3/s，相对误差29.0%，最小预报流量误差60 m3/s，相对误差2.0%，预报因子合格率为66.7%。

该站水文因子预报数据统计分析显示，五变数降雨径流合轴相关洪水预报模型取得了较好的预报效果，2015—2017年洪水预报统计表(见表4)。

表4 高坦站2015—2017年洪水预报统计表

3.5 问题分析

基流的计算在划分地下径流时尤其是复式峰中的地下径流划分中很难将其区分开来；Pa计算采取的时间步长值为15 d也有一定的局限性；Pa的取值在临界值(17 mm、45 mm)时由于样本较少，临界值的取值带有一定经验性。因此实际洪水预报中需要参考降雨特征较为相似的历史洪水做出必要的修正[5]。因复式峰P的降雨历时因人工划分的影响，在降雨历时t>20 h，峰现时间t合格率低，而实际上复式峰的后一场洪峰不同程度的受前场洪峰峰顶后的时间段降水的影响，尤其是前场洪峰的退水中后期阶段的降水对后续形成的洪峰峰形、峰量影响更大[6]。基于复式峰中降雨历时划分存在的实际情况，所以在此次统计分析的成果中峰现时间预报因子未予列出，因该站新安江模型洪水预报方案峰现时间预报因子合格率达到90%以上，因此在外接窗口中实时链接该方案的峰现时间预报因子。

由于在复式峰地下径流分割方法的不当，造成“960623”径流深预报误差偏差较大。“010612”号由于前期较干旱，水利工程在降雨时间内拦蓄大部分降水造成洪峰流量预报偏离值大[7]。

4 结论

基于五变数降雨径流合轴相关洪水预报方案构架在历史洪水拟合和实际洪水预报作业中取得了较好的效果，预报结果符合技术要求，方案综合评定级别为乙级，部分水文要素预报评定级别为甲级。由于方案是经验性方案，需要预报作业者充分考虑下垫面水文要素对洪水预报的精度影响，尤其复式峰的第一次峰预报过程中一旦发现预报拟合误差较大，应结合历史相似情况下的降水过程及现状遥测水文要素的1 h报1次的具体值做出必要的修正；同时须注意在前期长期久旱无雨的情况下产生的第一次洪水预报实际值要小与预报值；在连绵性大雨发生期间还需及时有效地了解区域内水利工程的调度方式，尽可能提高洪水预报精度。方案在模拟洪峰水位预报因子时采用径流深和洪峰水位直接相关法推求，克服了新安江模型中通过流量因子推求洪峰因子的误差传递这个弊端，提高了洪峰水位预报因子的精度。本站在洪水预报构架过程中同步构架了有新安江洪水预报模型，在实际作业中可以互相佐证，尽可能多途径去提高洪水预报精度，为防汛决策部门提供有力的技术支撑。