基于分布式水文模型的内蒙古自治区小流域洪水分析技术研究与应用

杨 彬 包松林 聂 帅 白 音 刘子嘉 赵文贵

（内蒙古自治区水旱灾害防御技术中心，呼和浩特 010020）

0 引 言

我国地处东亚季风区，暴雨频发，地质地貌环境复杂，加之人类活动剧烈，导致山洪灾害发生频繁，成为世界上山洪灾害最为严重的国家之一[1]。山洪主要发生在山丘区流域面积较小的溪流中，具有季节性强、区域性强、突发性强、破坏性强、预报难度大等特点，极易造成大量人员伤亡和财产损失，严重制约山丘区社会经济发展。2010年后，我国在全国范围内全面开展了山洪灾害防治非工程措施建设，经历4 个阶段（2010—2012 年、2013—2015 年、2016—2020年、2021—2023年）的非工程措施项目建设，逐步形成了以非工程措施为主、工程与非工程措施相结合的防御体系[2-3]。

当前，国家对新时期水旱灾害防御工作提出了全力做好预报、预警、预演、预案以下简称“四预”的措施要求，落实到山洪灾害防治上，则以小流域为单元开展“四预”工作。目前，我国中小流域暴雨洪水模拟与预报研究方面主要经历了经验预警法、预警指标法、流域水文模型法等[4-5]，相关推理公式操作简单，在山洪灾害防御工作中已广泛应用，但公式物理意义不足。随后集总式水文模型在大江大河等流域洪水预报中开始应用，集总式水文模型将流域作为整体进行分析，对小流域下垫面空间特性变化考虑不足，在山丘区小流域洪水模拟分析中应用效果一般[6]，且由于小流域地区水文资料匮乏、下垫面条件复杂多样，导致暴雨洪水分析难度较大[7]。1949年后，内蒙古自治区发生多次山洪灾害事件，如2018年巴彦淖尔市多条河床因强降雨天气发生山洪，冲毁多处堤防及基础设施并导致增隆昌水库发生溃坝险情，38个苏木（乡、镇）14.63万人不同程度受灾，紧急转移9 341人，造成直接经济损失5.3亿元。

为此，本文充分考虑内蒙古自治区全域下垫面实际情况，构建分布式水文模型集群，通过试点流域应用，评估该模型在小流域预报体系进行洪水预报的模拟精度及适用性。内蒙古自治区小流域洪水预报模型的构建可对区内洪水进行预警预报、风险评估、洪水管理，为防洪减灾、洪水灾害防治规划和当地决策提供科学依据。

内蒙古自治区位于我国北部边疆，东西跨度大，国土面积118.3万km2，平均海拔1 000 m 左右，地势总体西高东低，南高北低，如图1所示。全区属于温带大陆性气候，区内气候复杂多变，年内气温变化较大，年平均气温2～14 ℃；降水量少且分布不均匀，主要集中在夏季，且东西差异大，年降水量50～450 mm，自东向西逐渐递减，大兴安岭和阴山年平均降水量400～500 mm，最西端阿拉善盟年平均降水量减少至100 mm 以下[8]；年均蒸发量地带性明显，从东向西和从南向北均有逐步升高趋势，最低值出现在大兴安岭森林区东部，不足1 200 mm，大部分地区蒸发量在1 200 mm以上[9]。

图1 内蒙古自治区地理位置及站点分布图

根据2000 年欧洲航天局300 m×300 m 土地利用土地覆盖资料，内蒙古自治区内主要植被类型为草地、裸地、林地、耕地和水体、湿地、建设用地等，如图2（a）所示。根据数据高程模型（Digital Elevation Model，DEM）数据可计算得到内蒙古自治区坡度数据，如图2（b）所示。土壤类型数据采用1995 年的中国土壤类型空间分布数据，如图2（c）所示。区内地质构造复杂，空间变化显著，多数土壤抗蚀性较弱，水土流失较为严重，蓄水能力差，受地形、水流切割作用明显，极易形成较大冲击力的地表径流，导致山洪暴发。

图2 内蒙古自治区土地利用、坡度带和土壤类型图

内蒙古自治区山洪灾害非工程措施体系建设开始于2010年，目前已建成覆盖全部山洪灾害防治区的监测预警系统。经过初步调查，内蒙古自治区山洪灾害防治区面积为20.72 万km2，人口467.7 万人，涉及12 个盟（市），76 个旗（县、区），521 个苏木（乡、镇）、3 920 个行政村、9 988 个自然村，8 272 个危险区，3 946 个企事业单位数。全区共建设3 203 处自动监测站点，集成气象、水文等多元数据构建多级山洪灾害监测预警平台，初步形成以实时降雨为基础的山洪灾害监测预警防御模式，但在小流域洪水的预报预警方面十分匮乏，小流域洪水“四预”能力不足。

1 小流域划分及洪水预报模型构建

1.1 小流域划分

为开展山洪灾害非工程措施建设，国家组织对全国小流域进行了划分，形成了全国小流域基础数据集，为小流域洪水预报提供了数据基础。内蒙古自治区共划分了53 442 个小流域，总流域面积约90.18 万km2，单个小流域面积10～50 km2，平均面积16.87 km2，其中小流域面积为10～20 km2的，占全区所有小流域的38.5%[10]，小流域主要存在以下问题：面积整体偏小、部分小流域水系不完整、与旗（县、区）级行政区边界存在冲突。因此，在全区范围内逐小流域进行洪水预报分析，实现小流域“四预”措施的任务量过大且过于繁琐，对实时算力要求较高，小流域洪水预报体系构建难度较大。

为解决内蒙古自治区小流域洪水预报过程中存在的困难，首先对全区小流域进行整合，重新构建小流域分区，以整合划分后的小流域分区为基本单元对暴雨洪水过程的计算方法分析研究，在保证小流域特性的前提下尽可能简化建模过程。构建小流域分区主要遵循以下原则：①构建小流域分区内小流域临近，河流流向近似且为同一河流的支流；②构建的模型分区面积范围控制在50～200 km2；③模型分区内各小流域植被覆盖条件、土壤条件、坡度等下垫面条件相似；④对于跨盟（市）小流域依据盟（市）边界及河流分布进行调整，尽量保证模型分区不跨边界；⑤保证水系的完整性，支流无遗漏。

基于全国山洪灾害防治小流域基础数据集，按照小流域分区划分原则，构建小流域的空间拓扑关系，提取小流域特征属性指标，对内蒙古自治区小流域进行整合分析，重新划分了5 935 个小流域分区作为洪水预报单元。对重新划分后的小流域分区面积和坡度进行统计，见表1，整合后的小流域分区平均面积为152.33 km2，主要集中在100～200 km2，约占总分区面积的80%；而坡度集中在0.02～0.25，占比约82%。

表1 内蒙古自治区小流域分区面积、坡度统计

参考全国山洪灾害预报预警模型集群划分情况，以小流域分区为基本分析单元，根据内蒙古地域特性和流域相似性，将模型集群划分为20个水文模型分区，如图3所示，实现全区小流域洪水预报模型并行快速计算分析。

图3 内蒙古自治区小流域洪水预报水文模型分区

1.2 小流域洪水预报模型构建

根据小流域分区成果，依据分区内气候、水文、下垫面等基本情况，基于内蒙古自治区山洪灾害调查评价成果，提取小流域分区的土地利用、植被、坡面糙率、坡度、土壤质地等属性数据[11]，集成完整的流域水系和水文模型拓扑关系，对每个分区分别构建降雨模型、蒸散发模型、产流模型、汇流模型、河道演进模型，其中流域面积、稳渗率、河流长度、河道比降等模型基本初始参数可通过全国小流域数据集进行提取，气象短临预报雨量和实时监测雨量为输入，洪峰流量、洪现时间等洪水要素为输出，在全区范围内建立满足小流域洪水预报分析的模型集群，内蒙古小流域洪水预报模型框架如图4所示。

图4 内蒙古自治区小流域洪水预报模型框架

1.2.1 暴雨及蒸散发模型

模型输入实测降雨为点雨量，暴雨模型基本采用泰森多边形法[12]，将点雨量转为小流域面雨量，对于流域内及流域周边降雨资料较少或雨量站密度不足的区域，在参数率定过程中综合考虑反距离加权法[13]。为满足全区不同气候条件下的蒸散发计算，对气候较湿润的嫩江流域部分地区采用新安江三层蒸发模型，对全区其他半湿润半干旱地区及干旱地区采用FAO Penman-Monteith法[14]进行计算。

1.2.2 产流模型

由于内蒙古自治区地区东西跨度大，气象水文特征差异明显，因此全区小流域产流机制复杂多变，受流域几何特征及下垫面条件影响十分明显。充分考虑地区产流特性和各产流模型在全区的适用条件，对内蒙古地区产流模型进行划分，满足各小流域产流分析计算。内蒙古自治区东北部地区嫩江水系流域，气候较为湿润，植被覆盖较好，产流方式多以蓄满产流为主，主要采用新安江三水源产流模型[15]；额尔古纳河流域东部、河套平原地区、东南部霍林河内流区、大凌河水系、滦河水系流域，处于半湿润半干旱区，气候偏湿润，下垫面条件复杂，以蓄满产流为主，部分为超渗产流，本次采用PRMS产流模型[16]；中部内蒙古内流区、永定河水系、黄河流域、鄂尔多斯内流区地区为半湿润半干旱地区，年降雨量较少，产流方式多以超渗产流为主，部分区域兼顾蓄满产流，本次采用垂向混合产流模型[17]；西部干旱地区，包括阿拉善大部以及鄂尔多斯部分地区，站点分布较为稀疏，降雨多集中于汛期，选择适用于无资料地区超渗产流的初损后损产流模型[18]。

1.2.3 土壤含水量分析模型

根据产流模型可分析出各小流域对应的土壤含水参数，再根据土壤墒情监测数据分析得出土壤含水量，但由于实测降雨径流资料缺失、模型简化概化的限制，概化出的土壤含水量具有较大的不确定性。考虑到实际应用，暂时采用消退系数模型（前期影响雨量模型）进行土壤含水量估算分析，模型参数最大蒸发能力、最大土壤含水量来源于《内蒙古自治区水文手册》中气象站蒸发量特征值成果表和流域最大初损雨量值成果，最后依据实测土壤墒情数据进行校核验证分析。

1.2.4 汇流及洪水演进模型

汇流模型主要采用标准化单位线法[19]，在不依赖降雨、径流实测水文资料的情况下，基于25 m DEM 数据和国家统一发布的土壤地质及植被利用信息，综合考虑流域地形、地貌、植被等下垫面及流域大小、形状等特性，预设不同暴雨重现期（2～100 a）、不同时段（10～60 min）的标准化单位线，满足山丘区无水文资料的不同下垫面条件的各个小流域的汇流特性，以25 m网格为基本单元进行汇流分析计算，在计算中局部地区可根据当地综合单位线实际情况进行补充分析。河道演进模型主要考虑小流域平均坡度和无资料地区河道，在滩地、坡度较缓等平原区采用考虑洪水漫滩的流量修正方法[20]，山丘区主要采用马斯京根流量演算法[21]。内蒙古小流域洪水预报模型构建如图5所示。

图5 内蒙古自治区小流域洪水预报模型构建图

1.3 精度评定方法

根据内蒙古自治区小流域山洪防御工作实际和水文预测预报精度评定的有关要求，本次采用的精度评定参考标准有洪峰流量相对误差（RQ）、峰现时差（ΔT）和确定性系数（DC）。其中RQ和ΔT的最优值为0，DC的最优值为1，详细计算公式如下：

式中：Qs和Q0分别为预报洪峰流量和实测洪峰流量，m3/s；Ts和T0分别为预报峰现时间和实测峰现时间，h；Qs(i)和Q0(i)分别为i时刻对应的预报洪峰流量和实测洪峰流量，m3/s；-Q0为实测平均流量，m3/s。

根据水利部《水文情报预报规范》[22]，峰现时差（ΔT）在±3 h 以内为合格，洪峰流量相对误差（RQ）在±20%以内为合格；峰现时差和洪峰相对误差均合格则可记为1 次合格次数，合格次数与预报总次数的比记为合格率。合格率大于85%或确定性系数大于0.9为甲等精度；合格率70%～85%或确定性系数0.7～0.9 为乙等精度；合格率60%～70%或确定性系数0.5～0.7 为丙等精度。达到甲、乙级精度可以发布正式预报，达到丙级精度可以进行参考性预报。

2 试点流域应用案例

2.1 试点流域基本情况

本文选取位于赤峰市喀喇沁旗的锡伯河上中游流域作为试点应用流域，锡伯河是老哈河的主要支流之一，全长116.7 km。喀喇沁旗是内蒙古自治区山洪灾害防治旗（县、区）之一，1949—2022年，共发生较大的山洪灾害事件100多起，受山洪灾害威胁严重。流域内锦山水文站位控制集水面积1 438 km2，包含85 个小流域，9 个重新划分后的小流域分区，平均坡度为0.34，区域内共有1个水文站，5个雨量站（图6）。

图6 锡伯河上游流域水系分布图

2.2 场次洪水模拟结果及评价分析

本研究收集了锡伯河流域1984—2005 年22 年降水径流数据、气象数据（包括每日平均气温、风速、相对湿度、日照等）、蒸散发数据、DEM 数据（25 m×25 m）、土壤类型数据和土地利用数据，以及小时降雨和径流监测数据。

在锡伯河试点流域内，降雨模型方法选用泰森多边形法，蒸散发模型方法选用Penman-Monteith 法，产流模型方法选用垂向混合产流模型法，汇流模型方法选用标准化单位线法，洪水演进模型方法选用马斯京根流量演算法，小流域洪水预报模型模拟时间步长为0.5 h。

使用小流域洪水预报模型对锡伯河流域进行洪水模拟计算，通过模拟流量与实测流量的对比分析来评估模型精度。对数据进行简单分析，剔除数据缺失严重需要大量插值和缺乏代表性的降雨径流事件，最终选取“1984.6.3”“1986.7.21”“1989.6.4”“1992.7.29”“1994.7.13”“1996.6.16”“2000.7.27”场次这7 场洪水，设定其为模型率定期，“2004.6.22”和“2005.7.31”场次洪水为模型验证期，具体场次洪水率定期和验证期模拟结果如图7 和图8 所示。试点流域洪水模拟结果评价情况如表2 所示，率定期共有7 场洪水：其中相对误差在±20%以内的场次达到6 场，合格率是86%，达到甲等精度；峰现时间误差在±3 h 以内的场次达到6场，合格率为86%，达到甲等精度，峰现时间误差在±2 h 以内的场次达到6 场，合格率为86%，其中5 场峰现时间误差均在±1 h 以内。根据水文情报预报规范合格的要求，平均确定性系数为0.70，达到了乙等精度，率定期和验证期有4 个场次达到0.8 以上。验证期共2 场洪水，洪峰相对误差均在±10%以内，且峰现时间误差在±1 h 以内，全部符合水文情报预报规范合格的要求，合格率为100%，达甲等精度。其中确定性系数均值为0.76，达到乙等精度。率定期及验证期在模型中模拟与实测对比结果图见图7 和图8。本模型具有良好的精度，达到了应用水平。

表2 试点流域洪水模拟结果评价情况表

图7 试点流域场次洪水率定期模拟结果

图8 试点流域场次洪水验证期模拟结果

由上可知，内蒙古小流域洪水预报模型在锡伯河试点流域中能够较好地模拟反映试点流域不同尺度、不同量级的洪水变化情况，其洪峰流量和峰现时间模拟误差较小，整体精度能够满足小流域洪水预报预警工作。

3 结语与展望

本文根据内蒙古自治区实际情况，重新整合划分小流域分区，以小流域分区为基本分析单元，有效简化了全区小流域建模过程，通过分布式水文模型集群构建了全区小流域洪水预报体系，并在锡伯河上游试点流域进行应用分析，在试点流域洪水模拟情况良好，能够有效提高该流域内洪水预报能力，为水旱灾害“四预”工作提供科学参考。

（1）根据内蒙古自治区的小流域下垫面条件、盟（市）边界、模型分区面积范围、水系完整性等条件对区内全部小流域进行整合，重新划分了5 935 个小流域分区作为洪水预报分析单元。

（2）根据内蒙古地域特性和流域相似性，以小流域分区为基本分析单元，划分为20 个水文模型分区，依据分区内气候、水文、下垫面等基本情况构建满足小流域洪水预报分析的模型集群，模型初始参数可通过全国小流域数据集进行提取，在全区具有一定的普遍适用性和推广性。

（3）在锡伯河进行试点流域应用分析，9场洪水中，8场洪水的洪峰流量误差在20%以内，8 场洪水的峰现时间误差在±3 h 以内。其中率定期和验证期洪峰流量和峰现时间误差合格率在86%以上，达到了甲等精度，确定性系数均值大于0.7，达到了乙等精度。该模型在试点流域洪水预报误差较小，模拟预报精度能够满足小流域洪水预报预警要求。

小流域洪水预报过程中受到人类活动、降雨等因素影响较大，且多数小流域降雨径流资料不足或属于无资料地区，因此，需要在今后不断优化调整自动监测站网布设，通过迭代率定不断完善修正模型参数，同时，通过参数区域化等方式克服无资料地区模型率定的困难，并逐步在内蒙古自治区全区推广应用，完善内蒙古自治区小流域洪水预报体系。