丽水市松阴溪流域洪水预报系统研究及调度应用分析

叶方红，胡兆荣，王 浩，张建平，孙宏巍

（1.浙江省丽水市水文管理中心，浙江 丽水 323000；2.浙江省水文管理中心，浙江 杭州 310009；3.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002；4.浙江省湖州市环湖大堤管理所，浙江 湖州 313008）

1 问题的提出

瓯江是浙江省第二大河，丽水市松阴溪是瓯江主要一级支流，发源于丽水市遂昌县垵口乡北园岙村东面，流经遂昌县、松阳县、莲都区3 个县（区），干流全长120.12 km，遂昌县境内长54.14 km，松阳县境内长61.17 km，莲都区境内长4.81 km，流域面积1 985.02 km2，平均坡降7.96‰[1]。松阴溪水系示意见图1。

图1 松阴溪流域水系示意图

松阴溪主干流未建有大型调蓄水库，若松阴溪流域发生洪水则不可控，严重影响下游莲都区防汛形势，尤其对位于丽水市主城区的开潭水库调度影响甚大。因此做好松阴溪流域洪水预报对保护丽水市城区及下游防洪安全起到至关重要的作用，进行及时准确的洪水预报、科学合理的调度运用，能有效地减少弃水量，减轻水资源不足的情况。

2 流域特征及灾情分析

松阴溪流域属亚热带季风气候。松阴溪流域多年平均降雨量1 648.3 mm，4—10 月降水量占全年的74%，降水年内、年际、地域差异比较明显。松阴溪具有典型的山溪性河流特征，其主要特点如下：

（1）河流纵坡较大，河宽较小，河水流急。流域平均坡降为7.96‰。

（2）洪水暴涨暴落，洪峰水位高、流量大，具有集中快、涨幅大、滞留时间短的特点，易产生洪涝灾害。由于山溪性河流，河谷下切很深，河谷两岸地形陡峻，降雨后水量很快汇集于河槽，渗透损失小，地表径流大，暴雨后很快形成较高的洪峰。因河流纵坡大，蓄水能力低，水量消退快，河道水位变幅大。松阴溪流域靖居口水文站集雨面积1 857.0 km2，1955 年6 月20 日实测最大洪峰流量达4 250.00 m3/s，2004 年1 月7 日实测最小流量仅为0.35 m³/s；1955年6 月20 日实测最高水位为94.11 m，2012 年10 月21 日实测最低水位为83.38 m，水位变幅达10.73 m。

（3）枯水季流量小。由于降水不均和工农业用水量大，河流纵坡大，蓄渗能力低，枯水季节河流水量小。

松阴溪流域建有成屏一级、成屏二级、谢村源、梧桐源、东坞等5 座中型水库，集雨面积范围为50.0～215.0 km2，库容范围为1 250 万～4 790 万m3。共有东坞、安民、六都源等11 座小（1）型水库，集雨面积范围为0.3～48.7 km2，正常库容范围为88 万～440 万m3。经初步估算，松阴溪流域水库集雨面积450 km2左右。

中华人民共和国成立以来松阴溪流域发生的较为严重的洪水灾害9 次，死亡28 人，损坏房屋2 140 间，淹没农田1.27 万hm2，直接经济损失达8.7 亿元，间接经济损失更加巨大。

3 预警预报方案构建

3.1 预警预报方法选择

松阴溪流域位于我国东部湿润地区，雨量充沛，包气带缺水量容易被降水满足，使土壤达到田间持水量而产流。松阴溪多年平均流量56.00 m3/s，多年平均径流深为951 mm，多年平均径流系数为0.58。次洪的径流系数更高，一般达0.65 以上。由于地面径流和壤中流在汇流速度上的差异，从实测流量过程线上呈现涨洪陡于落洪的偏态型，说明有较丰富的壤中流和地下水，降雨径流关系具有蓄满产流的特点。本方案产流采用降雨径流经验相关法，汇流采用单位线法。

3.2 方案构建

靖居口水文站设于1953 年，有连续完整的水位、流量、蒸发、悬移质输沙率等水文观测资料。流域内靖居口水文站面上配套雨量站15 个，汛期 4—11 月全部采用自记仪器记录。此次分析建立降雨径流预报方案，采用1982—1985年的靖居口站逐日平均流量资料和洪水要素摘录。挑选分布大致均匀的10 个代表雨量站进行面雨量计算。采用靖居口水文站E601 蒸发皿观测资料推求流域蒸散发能力EM 和蒸散发量。

在现代水文预报中，虽然大量使用流域水文模型，例如新安江模型、萨克门托模型、水箱模型和陕北模型等进行流域降雨径流预报。但是，在松阴溪流域，在长期工作实践中已建立一套适合于当地实际情况的经验性降雨径流预报方案。

降雨径流经验关系曲线有各种形式，一般有产流量R=f（次雨量P，前期影响雨量Pa，季节，温度）[2]、R=f（前期影响雨量Pa，洪水起涨流量Q0）和考虑雨强的超渗式关系曲线形式。本方案采用国内普遍使用的降雨量、前期影响雨量、产流量三者的关系，即P—Pa—R相关图。

Pa也称前期影响雨量，是反映土壤湿度的参数。其计算公式为：

式中：Pa，t为t日08:00 的前期降雨指数；n为影响本次径流的前期降雨天数，常取15 d 左右；k 为常系数，一般可取0.85 左右。

为便于计算，将公式（1）简化为：

对无雨日：

制作三变数相关图，即按变数值（Pi，Ri）的相关点绘于坐标轴上，标明各点的参变量Pa值，根据参变量的分布规律以及降雨产流的基本原理，绘制Pa的等值线簇即可（见图2）。

图2 靖居口水文站降雨径流关系图

3.3 预报模型

松阴溪靖居口水文站洪水预报方案主要包括流域平均降水量计算、流域初始土壤含水率W0计算、径流量查算、雨型判别和流域汇流计算等，自靖居口预报系统运行以来，为丽水市城区开潭水库防洪调度发挥重要作用。

松阴溪流域洪水预报采用新安江三水源蓄满产流模型，1973 年由河海大学赵人俊教授等完成的国内第一个完整的流域水文模型。新安江模型结构设计分为蒸散发计算、产流计算、分水源计算和汇流计算4 个层次结构，考虑降水和流域下垫面不均匀的影响。

新安江模型的参数大多具有明确的物理意义，但由于缺乏实测降雨径流和试验过程，在实际应用中往往依据出口断面的实测流量过程，用系统识别的方法推求。根据产流模型和蒸发模型建立程序,在计算机上优选参数，优选的单位线UH 值见表1。

表1 单位线UH 值表

3.4 关键技术原理及应用

洪水预报的基本任务是根据采集的实时雨量、水位、蒸发量等，对未来可能发生的洪峰水位、洪峰流量及洪峰出现时间等内容的预测和分析。实时洪水预报误差修正指对实际洪水有影响的误差因素进行校正，弥补水文模型的不足。实时修正技术按修正内容划分，可分为模型误差、模型参数、模型输入、模型状态和综合等5 类。

3.5 洪水预报实时修正技术改进的关键

实时洪水预报修正技术的关键是修正信息利用量的扩大和技术的改进。现有误差修正方法存在诸多问题，如物理概念不清晰、损失预见期和使用条件限制等。河海大学司伟、包为民教授等提出一种基于动态系统响应曲线洪水预报误差修正新方法，使用最小二乘估计原理，对产流量进行修正，用修正后的产流量重新计算出流过程。该修正方法用王家坝流域进行检验，结果表明预报精度比传统二阶自回归模型明显提高。松阴溪流域洪水预报系统采用动态系统响应曲线修正技术对实时洪水预报误差进行修正，以提高洪水预报精度。

3.6 预报误差分析和提高预报精度方法

用1986—1987 年的实测资料作年径流深校核计算，成果见表2。

在1986—1987 年中挑选2 次洪水进行洪峰流量计算预报，成果见表3。

表2 校核年径流深精度统计表

表3 预报洪峰流量误差统计表

从预报洪峰流量成果得出，吻合基本良好，峰量基本相符，洪峰出现时间与“86051”次洪水相符，比“87041”次洪水则提早1 h，洪峰流量预报预见期为 6 h。

松阴溪洪水预报系统误差分析和提高预报精度方法：

（1）雨量站的代表性问题。本方案采用10 个雨量站（每站平均控制面积230 km2），加权平均得出面平均雨量，雨量站代表性直接影响计算精度。以“82081” 洪水为例，将15 站平均雨量59.0 mm 代入计算，误差明显减小，符合评定标准。“83081”洪水15 站计算面雨量为103.6 mm，代入计算误差减少到-0.3 mm。“85051”洪水15 站计算面雨量为97.5 mm，代入计算误差减少到-2.8 mm，符合评定标准。

（2）设备问题。水雨情遥测设备在运行中常会遇到各种故障，对洪水预报产生影响。对出现故障的雨量站点数据及时进行插补或用邻近站点替换，以免因为雨量数据不准确影响预报精度。

（3）水库拦蓄影响。中小型水利工程拦蓄对洪水预报影响大，松阴溪靖居口水文站洪水预报应考虑上游成屏一级、成屏二级、东坞、安民等中小型水库（集雨面积450.0 km2左右）和其他水利设施对次洪径流计算的影响。丽水市已建立瓯江干流洪水预报联动工作机制，当启动应急响应时，上游相关水库单位每3 h 报送总出库流量，确保预报人员及时掌握上游水库出库流量的情况，提高预报精度。

（4）退水曲线的影响。本方案采用综合退水曲线，由各次洪水的点据平均而定，用综合退水曲线分割次洪存在一定误差，尤其不同季节的洪水退水规律有较大差异。现采用动态系统响应曲线修正技术对退水曲线进行修正，以提高洪水预报精度。

（5）简化水文规律影响。如产流机理简化为蓄满产流，不考虑农业活动影响等，都属于模型结构误差。需不断根据实际情况对系统参数进行率定，修正方案，以提升预报系统预报精度。

4 松阴溪流域洪水预报调度应用与效益分析

松阴溪流域洪水预报调度系统自运行以来，为瓯江干流防汛调度发挥关键作用。特别是在近几年的梅雨洪水如2014 年“8·20”洪水，以及2009 年台风“莫拉克”、2013 年台风“菲特”、2015 年台风“苏迪罗”等影响期间体现其预报及时、精度高的特点。

4.1 洪水预报调度应用

2014 年“8·20”洪水期间，松阴溪流域靖居口水文站出现20 a 一遇的洪水，洪水预报系统在水库预报调度中发挥重要的作用。受持续强降雨影响，瓯江干支流龙泉溪、松阴溪、好溪、浮云溪、宣平溪、小安溪等流域水位全线暴涨。全市主要控制站水位出现超警戒或保证水位。松阴溪流域靖居口水文站8 月20 日08:10 出现最大洪峰水位93.06 m，超保证水位（90.20 m）2.86 m，相应洪峰流量3 650 m3/s，水位、流量均列1938 年建站以来第2 位（历史最高水位94.11 m，最大流量4 250 m3/s，1955 年6 月）。洪水期间，先后多次根据靖居口水文站实时水雨情对洪水实施滚动预报，并依据调度原则，提出多种方案进行比较分析，为水库科学调度决策提供可靠的依据。表4 为2014年“8·20”洪水期间靖居口水文站洪水预报成果。

表4 2014 年“8·20”洪水期间靖居口洪水预报成果表

丽水市防汛抗旱指挥部根据丽水市水文站对松阴溪流域靖居口断面的预报成果对大溪主干流紧水滩水库进行科学调度，2014 年8 月20 日紧水滩水库入库洪水5 138 m3/s，下泄流量363 m3/s，最大削减洪峰4 775 m3/s，削峰率达到93%，错峰达6 h。由于紧水滩水库的蓄洪削峰，错峰调度作用，使丽水主城区小水门处洪峰流量降低到20 a 一遇，水位由54.17 m 降低至52.79 m，同时使开潭水库洪峰流量降低至50 a 一遇，水位由51.60 m 降低至49.63 m。

4.2 洪水预报效益分析

2014 年“8·20”洪水时间长，瓯江流域的调度重点是拦蓄洪水，兼顾上下游，错峰调度。通过科学合理预报调度，发挥巨大的防洪效益，同时发电和供水效益显著。

自投入运行以来，利用该方案共完成洪水预报80 余次，及时准确地预报最高洪峰、峰现时间及洪水总量。根据洪水预报调度方案采取“汛期短历时超蓄、洪前预蓄、洪末拦尾”等实时调度方式，取得显著的防洪效益，对紧水滩和开潭水库的防洪减灾及水资源利用有着十分重要的作用。主要体现在以下几个方面：

（1）洪水预报系统界面简洁明了、易操作，可直接生成流域过程降雨量，自动计算土壤初始含水率；可根据实时水雨情作洪水预报，自动生成预测洪水过程，包括洪峰水位、洪峰流量及洪峰出现时间等。

（2）洪水调度系统可快速完成实时洪水预报、修正预报、假拟降雨洪水预报和多个洪水调度方案，在防洪抢险的紧急时刻能够为防洪调度决策赢得宝贵的时间。以图表形式将每个调度方案的预报信息、调度结果提供给决策者，各种信息一目了然，为更加科学地进行水库防洪调度提供可信的决策依据和可靠的技术保障。

（3）对水库或流域系统，通过洪水预报为防洪科学调度提供依据，可以减少洪灾损失，提高水资源利用率，产生可观的经济效益。通过科学调度，能有效增加全流域的防洪效益，减少灾害损失，意义重大。

5 结 语

松阴溪流域洪水预报调度系统首次引入模型参数函数曲面的线性化率定方法，解决新安江模型参数的自动率定，提高预报精度，预报技术先进、操作简单，并在实际流域进行应用，证明预报模型结构的合理性、误差修正技术的有效性，并获得客观的防洪社会效益和水资源利用等直接经济效益。但在实际预报调度过程中，影响因素众多，建议如下：

（1）原始资料的可靠性和精度至关重要。水量平衡计算中降水、蒸发、径流过程若存在较大误差，则会得出虚假的拟合结果，所以对原始资料分析和考证十分必要。

（2）亟需解决上下游影响防洪调度的因素。如库区移民高程以下的应迁但未迁居民，下游防洪断面的防洪标准有待提高等。不断加强全流域水资源的统一调度管理，今后需不断优化松阴溪流域洪水预报调度系统，做到上下游兼顾，科学调度。

（3）流域水文规律的变化受气候条件和下垫面条件的影响，随着水文资料不断积累，模型参数需要不断修正。更好地改进蓄满产流模型在松阴溪流域洪水预报中的应用，不断提高洪水预报水平，是今后进一步研究的方向。