基于参数移植法的无资料地区洪水预报分析

赵 芳，华 东，田质胜，唐克银，张 晨

（1.山东省水利勘测设计院，济南 250014；2.水利部信息中心，北京 100032；3.国家水资源监控能力建设项目办公室，北京 100032）

无资料地区的洪水预报，对于区域防洪和水利工作的开展具有重大意义。目前针对无资料地区，常用洪水预报方法主要有：①参数移植法，采取临近有资料流域的参数移植到无资料地区；②模型法，建立具有物理机制的水文预报模型推广至无资料地区；③3S技术，获取无资料地区空间地理信息，进行三维建模预测。这3种方法均有各自优势，张漫莉［1］采取模型法构建了武江流域新安江洪水预报模型，并成功应用到无资料子流域，预报精度达乙级以上；宋昭义［2］采取参数移植法，利用冷水河临近流域的水文资料构建了新安江模型，最终成功运用在冷水河流域，预报精度为丙级；冯娇娇［3］基于DEM数据和遥感数据，利用GIS提取流域特征建立辽宁东部短缺资料地区的新安江模型。

尽管模型法和3S技术比参数移植法精度和准确性更高，但建立具有物理机制的水文预报模型往往需要长久测算，而3S技术成本较高且技术性强，因此，目前较多用的仍是参数移植法。基于此，本文以浑河上游清原下水库流域为研究区，探究了参数移植法的可行性和有效性。

1 研究思路

本文以缺少资料的浑河上游清原下水库流域为研究区，探索参数移植法在无资料地区的适用性和可行性。根据流域下垫面属性存在的差异，降雨产流3个随机性，流域形状和雨量站点分布状况，以及现有预报模型的使用效果与经验确定洪水预报方案，即在清原下水库流域的临近子流域中运用新安江模型进行建模，以SCE-UA算法对新安江模型参数进行优化率定，最终结合空间临近法和流域物理特性相似法将率定后的参数移植到清原下水库所在子流域上，分别计算产流和汇流，最后得到出流过程。

1.1 研究区概况

清原下水库位于辽宁省浑河上游右岸支流树基沟河内，坝址流域面积65.3km2。水库坝址附近无气象观测站，东侧20km处有清原气象站，1957年设站观测至今，资料系列较长，根清原气象站1981～2013年降水观测资料分析，多年平均降水量792.9mm。水库坝址附近有树基沟雨量站，1964～2012年多年平均降水量862.6mm。

清源下水库流域无水文站和雨量站，临近流域有南口前水文站，南口前水文站位于浑河干流左侧的南口前支流，为径流实验站，南口前站流域面积186km2，与清源下水库所在树基沟河流域面积163.62km2最接近，为本阶段径流、洪水计算的主要依据站。流域内水系如图1。

图1 研究区流域水系

1.2 数据来源及处理

1.2.1 数据来源

通过当地水文局收集了以下资料：

（1）南口前流域内3处雨量站1968～1988年降水量摘录资料和日降水量资料。

（2）流域内南口前水文站1968～1988年的洪水摘录资料和日均流量资料。

（3）本次未收集到南口前流域内蒸发资料。

（4）南口前流域内历次暴雨洪水调查资料若干。

（5）对南口前流域各个单元的流域特征值包括河长、河流纵比降、流域面积等在大比尺地形图上进行了重新量算。

（6）用泰森多边形法对南口前流域内各雨量站面积权重进行了量算。

1.2.2 子流域划分

根据南口前站地理位置，以南口前站作为南口前流域的预报断面，清原抽水蓄能电站下水库入库断面为研究子流域的预报断面。在ARCGIS中的水文分析工具对流域DEM底图进行处理。通过填洼——流向分析——汇流——河网提取——河网连接——河网分级——捕捉倾泻点——划分子流域流程得到南口前流域文件和研究子流域文件。

南口前流域划分、研究子流域划分和两个子流域的位置关系如图2。

图2 研究区流域与南口前流域位置

1.2.3 基于GIS处理的泰森多边形

鉴于南口前流域中有阿尔当站、海阳站和暖泉南沟站3 个雨量站，故创建雨量站SHP 图层，在ARCGIS中通过分析工具——领域分析——创建泰森多边形流程打开创建泰森多边形工具，设置参数，输入要素选择构造的雨量站，并设置环境后泰森多边形图层，如图3。

图3 裁剪后泰森多边形图层

2 参数率定与结果分析

2.1 参数率定

本次模型率定，充分利用流域内暴雨洪水调查资料和南口前站实测洪水资料，为各单元的参数率定提供了保证，使率定的参数更加合理。率定时，首先选用近期雨量和流量资料控制较好、观测精度较高洪水进行参数率定，为早期洪水参数率定积累经验、奠定基础。最终本次选用11场洪水进行预报模型参数率定，用SCE-UA算法进行新安江模型参数优化率定，率定结果如表1。

表1 南口前流域新安江模型率定结果

从表1看出率定期，1#，5#洪水的洪峰预报值偏差较大，均达到35%以上，2#洪水的峰现时间异常，误差高达50h。验证期内1#洪水的洪峰拟合效果相对较好，整体的峰现时间都拟合的较为准确。模型最终确定模型系数如表2。

表2 新安江模型洪水参数

2.2 成果分析

选用研究区4场实测洪水来验证利用参数移植法建立的新安江模型，验证结果如表3，洪水过程线如图4。

表3 洪水预报验证结果

图4 验证期洪水过程线

从表3可看出，验证期所选场次洪水，洪峰流量合格率75%，峰现时间合格率100%，确定性系数为乙等，验证期洪水场次的模拟效果相对较好，从图4可看出，模型对于单峰型洪水拟合效果相对较好。

尽管本次预报方案已有初步成果，但限于资料条件，还不能完全满足规范要求，方案存在如下问题：①根据规范规定，一个方案编制分析的洪水场次不低于20次，由于资料有限，新安江模型参数率定，勉强选用了11场洪水，不满足规范要求。②方案编制过程中，由于雨洪配套资料太少（有些年份雨量站和水文站数据不完整，有缺失），给资料分析带来了很大困难，直接影响了参数率定。

3 结语

（1）利用参数移植法，构建了浑河上游南口前流域新安江模型，并将模型参数移植到清原下水库流域，最终结果验证该方法可行，由于资料有限，本次预报精度不高，还需后续收集更多的暴雨洪水资料，进一步改进模型参数。

（2）无资料地区洪水预报是水文预报工作中的难点，后续还需投入更多精力，结合新方法去深入探究。