基于新安江模型的山洪动态预警指标的确定与检验

陈玄通

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)

山区流域暴雨洪水历时短，山洪灾害极易在暴雨天气发生，因此，山洪灾害防御的难点和重点即对其进行及时、准确的预警[1-2]。雨强、前期土壤含水量、降雨时空分布均对山洪灾害产生影响[3-5]。当前，气候变化以及下垫面条件变化加大了区域山洪小流域预警指标获取的难度，因此需要考虑山洪的综合影响因子去确定其预警指标，需要采用水文模型对不同条件下的雨量预警值进行综合确定[6-8]。当前国内山洪预警体系研究已逐步开展[9-13]，但综合考虑有前期影响雨量、累计雨量、降雨强度以及降雨分布，并通过水文模型进行预警的研究还较少。冰峪沟位于辽东南部，流域面积为692km2，属于暴雨洪水易发、多发区，发生峰高量大的山洪频次较多[14]。为此，文章以该流域为研究区域，重点探讨新安江模型在辽东南部山洪预警的适用性。

1 动态预警方法

基于新安江模型的山洪预警方法首先采用新安江模型来预报洪峰流量，若预报的洪峰流量高于流量预警值(结合预报断面水位流量关系，按照设定预警水位得到预警流量)，则场次降雨对应的临界雨量值P临为T+1时段对应的降雨量，可以得到不同时段的(Pa+P+PⅡ，P临)散点分布，通过拟合分析得到P临-Pa+P+PⅡ，即动态临界雨量曲线，在发生降雨条件下，不需要采用新安江模型进行计算，只需要结合降雨累积量、雨强、降雨分布以及前期影响雨量等要素，基于动态临界雨量曲线对临界雨量进行计算，对山洪灾害可能程度进行分析，作为预警的重要依据。

1.1 降雨径流相关性分析

建立降雨径流关系首先需要对前期影响雨量进行计算：

Pa，t+1=k(Pt+Pa，t)

(1)

k=1-Em/Wm

(2)

式中，Pa，t+1、Pa，t分别为t+1日及t日早上8时的前期影响雨量，mm；Pt—计算当日的雨量实测值，mm；k—蓄水量消退系数；Em—月蒸发能力均值，mm；Wm—蓄水容量最大值，mm。

若方程(1)中计算时间点为早上8时，而预报时刻不是该计算时间点，采用方程(1)计算的前期影响雨量误差则会较大，因此需要对该指标进行修正，一般采用以下两种方式进行修正。

(1)若降雨时刻位于计算时间点，则需要将消退系数转换成固定时段计算值，并计算不同时刻降雨条件下的前期影响雨量值。

(2)日分割点采用当前计算时刻对Pa值进行逐日计算。

文章采用第一种方法对Pa进行修正，并以Wm作为计算约束条件，结合降雨径流多年实测数据，对面平均降雨量、前期影响雨量以及径流量对P+Pa-R关系进行分析。

1.2 确定经验单位线

(3)

求解可得

(4)

在进行经验单位线分析时由于降雨量、净雨量估算、流量误差等原因，会出现负值，因此需要对经验单位线进行调整，径流在单位线下的深度为10mm。

1.3 临界雨量计算

山洪涨落快，一般都有暴雨产生，因此临界雨量预警时刻一般以1、3、6h三个时段进行计算。

(1)预警影响因子

山洪产生的原因不但和暴雨特征相关，前期影响雨量也对其影响明显，前期影响雨量越大，产流越大；相反产流越小。此外，同一雨强和降雨量条件下，降雨时程及空间变化对径流的影响也有所差异，因此在雨量预警指标计算时需要考虑降雨累积量、雨强、降雨特征以及前期影响雨量。

(2) 临界雨量动态计算方法

① 对不同时刻T内场次洪水过程采用水文模型进行计算；

科学技术与意识形态的关系很早就进入到了西方学者的视野当中，不同的学者依据不同的理论对两者的关系进行了论述，大致产生了两种不同的学说理论——科学技术与意识形态对立和科学技术即是意识形态。正是这两种学说理论的对立、碰撞，为哈贝马斯的科学技术意识形态论奠定了丰富的理论基础。

② 若采用水文模型推算的洪峰流量超过预警流量，表明已发生洪水，则返回到上一个步骤重新截取降水过程进行计算，否则采用下一个步骤进行分析；

③ 按照降雨量大小对T+1时段雨量值进行赋值，对T+1时段内的雨量采用水文模型进行洪水过程的推求；

④ 若预报的洪峰流量高于流量预警值，则场次降雨对应的临界雨量值P临为T+1时段对应的降雨量，可以得到不同时段的(Pa+P+PⅡ，P临)散点分布；否则返回步骤③进行临界雨量的计算；

⑤ 对以上步骤进行重复计算，得到不同降雨特征的(Pa+P+PⅡ，P临)的多个散点数据，对P临-Pa+P+PⅡ曲线进行相关拟合。

2 实例研究

2.1 区域概况

冰峪沟流域主要位于英那河流域，该流域河道平均坡度为2.31‰，属于典型山区型河流，冰峪沟出口断面以上流域面积为260 km2，流域内有效降雨站点的数目为5个，具体分布如图1所示，流域位于英那河水库下游3km，由于流域内无蒸发观测数据，移用沙里涂水文站蒸发数据。流域内植被覆盖度较好，主要以林地和灌木为主，其中落叶阔叶林以及灌木丛占全流域面积的比例分别为68%和22%。

图1 冰峪沟流域概况图

2.2 模型参数率定结果

模型参数采样遗传算法进行优选，两个时段的参数率定结果见表1—2。

表1 冰峪沟流域时段长为1h的新安江模型参数优选结果

表2 冰峪沟流域时段长为3h的新安江模型参数优选结果

2.3 洪水模拟结果

将以上参数用于冰峪沟流域的8场洪水模拟，结果见表3—5。

表3 新安江模型产流模拟结果

表4 时段长为1h的新安江模型汇流模拟结果

表5 时段长为3h的新安江模型汇流模拟结果

从不同时段新安江模型模拟结果可看出，新安江模型在冰峪沟流域的洪水模拟精度较高，场次洪水产流模拟的合格率均可达到100%，而两个时段汇流模拟的合格率也可分别达到89.2%和100%，具有良好的预报精度。模型参数可以满足冰峪沟流域洪水预测的要求，可用来进行临界雨量的动态计算。

2.4 确定动态临界雨量曲线

结合防洪安全以及冰峪沟水文站断面变化(如图2所示)，其预警水位为89.00m，通过对其历年水位流量关系(如图3所示)进行分析，预警水位对应的流量值为608m3/s，以此作为冰峪沟水文站流量预警值。

图2 冰峪沟水文站河道断面图

图3 冰峪沟水文站水位与流量关系曲线

山洪过程陡涨陡落，其受降水分布变化特征影响相对较小，因此需要分析临界雨量与短历时雨强、雨量累积值以及前期影响雨量之间的相关性，相关分析结果如图4—5所示。从分析结果可知，随着P+Pa+PⅡ的增大，山洪的临界雨量值有所减小；对于同一P+Pa+PⅡ，其值随时间尺度的增加而增大，表明雨强和雨量累积值对山洪是耦合影响。

图4 1h临界雨量与Pa+P+PⅡ的关系

3 应用检验

分别基于新安江模型和传统API模型(降雨径流模型)对冰峪沟流域8场洪水构建动态临界雨量曲线，并对预警效果进行应用检验，两个时段检验结果分别见表7—8。

图5 3h临界雨量与Pa+P+PⅡ的关系

表7 冰峪沟流域1h临界雨量指标检验

表8 冰峪沟流域3h临界雨量指标检验

从两个时段预警分析结果可看出，基于API模型和新安江模型的预警合格率均为100%，文章提出的基于水文模型的动态临界雨量方法具有较好的适用性，这主要是因为该方法可综合考虑雨强、前期影响雨量、降雨特征，使得预警更为准确和合理。但是这种方法对于一些无资料地区小流域而言，需要移用附件水文站点的参数，进行动态临界雨量的计算。

4 主要结论

(1)随着P+Pa+PⅡ的增大，山洪小流域临界雨量值有所减小；对于同一P+Pa+PⅡ，其值随时间尺度的增加而增大，表明雨强和雨量累积值对山洪是耦合影响。

(2)在进行临界雨量动态计算时，若计算的洪峰流量高于预警流量，则场次降雨对应的临界雨量值P临为T+1时段对应的雨量值。

(3)文章提出的基于水文模型的山洪预警在中小型水文测站预警中具有较好的适用性，但对于一些无资料地区小流域而言，需要移植有资料地区参数，其适用性还需进一步分析。