武思江大江口水文站多元回归洪水预警方案分析

黄国大

（广西沿海水文中心，广西 北海 536000）

0 引言

利用洪峰水位与面降雨量、降雨历时、起涨水位等因素建立多元回归方程是目前广西应用广泛的一种建立洪水预警方案的方法。2016年，廖文凯[1]对柳州市无资料地区中小河流水位站预警预报方法探讨中，建立简单的面降雨量、降雨历时、起涨水位和洪峰水位的多元回归模型。2017年，朱雪梅[2]利用多元回归方程法对广西涌尾水文站的洪水预警预报方案进行了研究。武思江大江口水文站于2016年编制多元回归预警方案，但在实际应用中发现其洪水预警合格率不高，本文利用流量修正水位系列建立新方案，并对大江口站多元回归预警方案相关因素的合理性进行分析，就如何完善预警方案进行了研究。

1 基本概况

1.1 流域概况

武思江位于广西东南部，为西江水系郁江右岸支流，发源于浦北县江城镇黎村木坪村母鸡顶，向北流，经浦北县官垌、寨圩镇，于贵港市港南区思怀乡新城村铜锣屯以西500 m处汇入郁江。上游河源分左、右两支，左支为主，右支次之；左支出河源后向北流，经浦北县官垌镇文峰村有支流山口河从右岸汇入，继续北流经官垌镇的大岸、历山、兰门至平村下游1 km 处与发源于浦北县六硍镇塘冲村的右支竹瓦江汇合。武思江干流河长115 km，平均坡降1.61‰，流域平均宽度9.8 km，流域面积1134 km2，流域上中游山高坡陡，林草茂盛，水源充足，流域下游丘陵为主，河口少部分为平原。

武思江流域属亚热带湿润大陆性季风气候，温暖多雨，年降水量1000～2500 mm，多年平均降水量1500 mm。影响流域的暴雨天气系统主要有：热带气旋、锋面、低涡、切变线和赤道辐合线等，夏秋两季常受热带风暴的影响，暴雨频繁。武思江属山溪性河流，流域面积不大，但流域坡降陡，产流量大，汇流迅速，遇大雨暴雨易产生峰高量大且暴涨暴落的洪水。

1.2 测站概况

武思江大江口站设立于1985年1月，位于广西钦州市浦北县寨圩镇大江口村，上距河源54 km，下距河口61 km，处于武思江中游，集水面积504 km2，占武思江流域面积44%，断面以上平均坡降2.94‰，实测最高水位113.08 m（相应流量1030 m3/s，2006年7月17日），警戒水位为108.50 m。

大江口站河段河槽较深，沙质河床，容易冲淤，断面为“U”形，低水时断面宽60 m，高水时断面宽约90 m，无漫滩。自1990年以来，断面上下游不断抽取河沙，断面逐渐降低，河床部分位置降低2.5 m，平均降低约2 m，2017年8月24日测到建站以来最大流量1080 m3/s，相应最高水位只有110.86 m，比实测最高水位113.08 m（相应流量1030 m3/s）低2.22 m。

大江口站洪水涨落率较大，中高水水位流量关系为逆时针绳套曲线，绳套曲线宽度较大，中水有受支流大陂江洪水顶托，低水时受冲淤及断面抽沙变化影响，水位流量关系不稳定。大江口站大洪水历时一般为1～2 d，涨洪历时约10 h，洪峰持续时间不到半小时，落洪历时约1 d。

大江口站断面上游11 km 建有兰门电站，上游4 km 建有石门滩电站，下游5 km 建有金党电站，3个电站均为日调节型小水电，断面以上无大中型水库工程。2014年前大江口站断面以上建有官垌、兰门、六万山、横岭4 个雨量站，2015年增加瓦窑田雨量站，均匀分布流域内雨量站点均匀分布，代表性较好。

2 预警方案编制

2.1 原预警方案情况

大江口站于2016年编制多元回归预警方案，利用2013-2016年共18 场洪水资料。2018年底对方案进行修订，修订后的方案共24 场洪水资料，资料的最高水位110.86 m，最低水位106.44 m，虽然资料中的最高水位比建站以来的实测最高水位低2.22 m，但最大流量接近，资料中包含高中低各级流量，有一定代表性，2018年修订后使用的方案为：

方案一：Z=0.044P-0.058T+1.45Z起-1.01Z同+58.96

方案二：Z=0.031P-0.109T+0.610Z起+41.89

式中：Z为洪峰水位，m；P为面降雨量，mm；T为降雨历时，h；Z起为起涨水位，m；Z同为同时水位，m。

原方案直接选实测水位计算，资料的最高水位110.86 m（最大流量1080 m3/s），最低水位106.44 m，最低水位比最低有效预警值（按警戒水位下0.5 m算）低1.56 m，其中洪峰水位高于108.0 m 以上10次，占总场次的42%。面雨量计算采用算术平均法，计到最大的连续3 h 止，面雨量最大值196.7 mm，面雨量最小值40.7 mm。降雨历时计算大于2 mm/h 的有效时段，降雨历时最大20 h，降雨历时最小3 h。方案经8 次洪水检验，预警合格率不高，特别是低洪与高洪，其原因可能是测站断面变化太大造成水位代表性差，面雨量计算及降雨历时等资料选取不合理。

2.2 新方案资料

预警方案通常用于高于某水位以上预警，大江口站蓝色预警水位定为108.5 m，按目前的预案高于108 m 作出预警即为合格，本次分析只选能满足预警需求的雨洪配套资料，自1992-2019年共22 场。由于这期间河道断面变化太大，水位系列代表性较差，本次用流量修正水位系列建立新方案，摘取每场洪水的起涨流量、同时流量、洪峰流量等用2019年水位流量关系转换成同一系列起涨水位、同时水位、洪峰水位资料。转换后资料系列的洪峰的最高水位111.5 m（由于大江口站水位流量关系是绳套曲线，通过综合线的转换最高水位与最大流量不相应），比蓝色预警水位值高3 m，最大流量1080 m3/s，最低水位108.02 m，最小流量383 m3/s。面降雨量计算采用加权平均法，选取起最多至明显起涨前3 个小时，止到最大的连续3、4、6 h末的累计雨量，面降雨量最大值148.6 mm，面降雨量最小值63.8 mm。历时按计雨量时期统计，历时最大9 h，历时最小3 h。表1 为大江口站雨洪相关因素统计表（最大3 h方案），表内水位均为用流量转换后的相应水位。

表1 大江口站雨洪相关因素统计表（最大3 h方案）

2.3 新方案参数

新方案选3、4、6 h 和洪峰前面降雨量方案，降雨历时计算是从雨量统计开始至结束，同时水位选雨量统计结束时的相应水位，洪峰前雨量的同时水位为洪峰水位没有参与计算。Excel中的linest函数是使用最小二乘法对已知数据进行最佳直线拟合，新旧方案都用linest 函数拟合得出各参数系数，各方案方程为：

3 h方案：Z=0.0 125P-0.1 816T+0.3 736Z起+0.3 820Z同+28.92

4 h方案：Z=0.0 126P-0.2 442T+0.3 383Z起+0.4 093Z同+30.10

6 h方案：Z=0.0 140P-0.0 565T+0.4 292Z起+0.3 382Z同+26.69

峰前雨方案：Z=0.0 114P-0.0 112T+0.8 967Z起+13.47

2.4 方案评定

方案评定只是根据建立的多元回归方程和相应的洪水场次进行检验，水位计算误差以不大于0.5 m为合格，原方案一为63%、方案二为71%，新3、4 h方案均为72%，6 h和峰前雨方案均为77%，新方案合格率比旧方案有所提高，达到提高洪水预警合格率的目的。

3 方案分析

（1）面降雨量分析。新旧方案面降雨量计算不同点为开始时间和平均法，统计的面降雨量相差不大，但经回归计算得的系数相差较大，原方案0.031～0.044，新方案0.0 114～0.0 126，同流域不同资料系列的降雨径流相关有较大偏离。新方案系数值变化不大，按系数平均值计算降雨量（相关雨量从52～219 mm）贡献值为0.6～2.6 m，而方案水位变幅3.19～6.26 m，显得降雨量贡献值稍弱。经统计，3 h和4 h 方案中无效雨量最大达到102.9 mm，有部分场次有效与无效比达到1∶1，即使用洪峰前雨量计算，多元回归方程的雨量系数也不大，方案合格率也不明显提高，可能是多元回归方程中加入其他参数后降雨量影响减弱，可能造峰雨后的降雨对洪峰高影响有限。新旧方案降雨量与洪峰水位都是正相关关系，可能是2013年后测站水位流量关系虽然有变化但期间还有代表性。新旧方案计算次面雨量方法不同，但都较为合理。

（2）降雨历时分析。降雨历时计算是旧方案选起涨前后小时雨量大于2 mm 起，新方案选起涨前后小时雨量大于5 mm 起，由于低水受上游电站调控影响，可能对起涨水位有不同看法，新方案选明显起涨时，而且降雨历时最多统计至前3 个小时。大江口站雨峰到洪峰时间6 h左右，据统计，最大3、4 h的方案降雨止时至洪峰出现为4～5 h，旧方案最长历时20 h显得不太合理，新方案最长9 h，前期降雨影响可反映在起涨水位上，面降雨量计算也较为合理。降雨历时在降雨量相同情况下长短反映了降雨强度，降雨强度越大形成的洪峰越大，降雨历时与洪峰水位呈负相关关系，从新的几个方案结果看，统计小时数越长影响相对减弱，虽然旧方案有个别场次选得不合理但不影响总体，大江口站的新旧预警方案历时参数较为合理。

（3）起涨水位分析。大江口站低水时受到电站调控的影响，新旧方案对起涨水位选取不同，新方案选取起涨水位时值选用受降雨影响后明显涨水的水位。起涨水位反映前期河槽蓄水情况，多元回归方案中起涨水位与洪峰水位应该为正相关关系，但方程式假定是直线相关，就是同一雨量级不同起涨水位增量是一致的，这与一般河道特性不太相同。新旧几个方案的拟合结果起涨水位系数基本合理。

（4）同时水位分析。同时水位反映当时河槽蓄水情况，同时水位受次洪水的雨量级、降雨强度和起涨水位等因素影响，在多元回归方案中是其他几个因素的综合反映，因此同时水位与洪峰水位关系复杂，但应该是正相关关系。旧方案一拟合结果是负相关，由于旧方案一不合理。旧方案二不再选用同时水位作为参数，按理同时水位是其他几个因素的综合反映，一般多元回归方案应可选作参数，新的几个方案同时水位参数是合理的，可能是旧方案选取资料不合理性的集中表现。

4 结语

（1）近20年来，武思江大江口站附近河道受采沙影响断面逐年降低，水位资料失去系列代表性，用流量资料编制方案或用流量还原水位可以充分利用历史资料，由于预警值多以水位为标准，建议用还原水位编制预警方案。

（2）降雨历时反映场雨量的强度，降雨历时起止时间又影响面降雨量的统计，建议以能影响起涨水位的雨量时段开始计，历时以不超过2 倍汇流时间为宜，中间不应有有效雨量限制。

（3）编制的方案合格率不高，可能是评定方法不合理，预警不等于预报，预警是滚动计算，只要大于预警有效值即合格，长时间的方案时效性不高但可以充分利用面降雨量，每个方案都有一定合理性，建议编制不同时段方案作预警时比较。

（4）从以往经验看降雨量与洪峰水位关系多数呈反曲线，用linest 函数拟合的多元回归方程假定是直线关系，多元回归方程中面降雨量假定缺陷对于用偏离预警值太远的资料参加计算会影响方案的合理性，建议按预警水位分级编制方案。