余德華

（益陽水文水資源勘測局 益陽市 413002）

引 言

暴雨是影響柘桃區(qū)間的主要災(zāi)害性天氣，暴雨引起的洪澇災(zāi)害給人民生命財(cái)產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來巨大損失。資水柘桃區(qū)間為強(qiáng)降雨頻發(fā)地區(qū)，受復(fù)雜的地形地貌條件和不穩(wěn)定的氣候影響，出現(xiàn)短歷時(shí)、集中性降雨機(jī)率大，這些地區(qū)山高坡陡，地質(zhì)多為破碎板頁巖結(jié)構(gòu)，巖層松散，結(jié)構(gòu)力差，雨強(qiáng)大，產(chǎn)匯流速度快，為山洪地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)、易發(fā)區(qū)，極易引發(fā)山洪地質(zhì)災(zāi)害。特別是近年來，極端天氣現(xiàn)象增多，集中性降水、暴雨等極端天氣在增加。在影響柘桃區(qū)間的各種洪水類型中，以暴雨洪水發(fā)生最為頻繁，影響范圍廣，危害也最為嚴(yán)重。“140716”及“150602”暴雨強(qiáng)度罕見，就降雨空間分布、雨強(qiáng)及洪水形成因素而言，兩場洪水極其相似，“150602”洪水量級較小，在于暴雨持續(xù)時(shí)間較短及柘溪下泄較小所致。兩場暴雨洪水給資水柘桃區(qū)間造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

1 流域概況及柘桃區(qū)間洪水

資水是長江流域洞庭湖水系的第三大河流。流域內(nèi)丘陵、盆地約占40%，大部分布在上游和下游，山丘區(qū)約占50%，主要分布在中游，其余為平原湖區(qū)。

柘桃區(qū)間位于流域的暴雨中心，降雨多由低壓、鋒面、切變等天氣系統(tǒng)所造成，一次降雨歷時(shí)一般在3 d 左右，最長達(dá)6 d 以上，區(qū)間形成大洪水的集中暴雨一般在24 h 左右，為下游洪水的主要來源之一。柘桃區(qū)間面積只占柘溪以上流域面積的20%左右，但區(qū)間的洪峰流量一般卻相當(dāng)于柘溪壩址以上洪峰流量的50%～70%。

柘桃區(qū)間洪水有以下三種組合： ①柘溪以上洪水為主，區(qū)間洪水較小（包括洪峰錯(cuò)開）；②柘溪泄洪和柘桃區(qū)間年洪水相遇；③區(qū)間洪水較大，柘溪洪水較小。

2 “140716”洪水與“150602”洪水成因?qū)Ρ确治?/h2>

2014年7月14日20 時(shí)至16日8 時(shí)，資水柘益區(qū)間發(fā)生了一次強(qiáng)降水過程，柘桃區(qū)間普降大到特大暴雨。本次過程降雨量達(dá)100 mm 以上的站點(diǎn)有52 個(gè)，其中達(dá)200 mm 以上的站點(diǎn)有30 個(gè)，達(dá)300 mm 以上的站點(diǎn)有11 個(gè)。受此降水影響，資水中下游水位迅速上漲，與此同時(shí)，柘溪電站入庫不斷增大，從7月15日14 時(shí)入庫達(dá)6 000 m3/s 以上，湖南省防指調(diào)度下泄3 000 m3/s，16日2 時(shí)下泄4 000 m3/s，17日6 時(shí)隨著入庫流量的減小，下泄減至3 000 m3/s，8 時(shí)減至滿發(fā)1 880 m3/s 下泄。

2015年6月2日凌晨2 時(shí)開始，安化縣普降大到特大暴雨。本輪降雨12 h 內(nèi)降水超50 mm 的站點(diǎn)有87 個(gè)，超100 mm 的有37 個(gè)，超200 mm 的有8個(gè)。受此降水影響，資水中下游水位迅速上漲，與此同時(shí)，柘溪電廠不斷加大泄量。

3 預(yù)報(bào)方法

（1）API 模型。

①產(chǎn)流。API 模型以流域降雨產(chǎn)流的物理機(jī)理為基礎(chǔ)，以主要影響因素作參變量，建立降雨量P與產(chǎn)流量R 之間的相關(guān)關(guān)系，常用的參變量有前期土壤含水量Pa、降雨歷時(shí)、雨強(qiáng)、雨型、暴雨中心等，最常用的是三變量相關(guān)圖：R＝f （P、Pa），Pat+1=K（Pt+Pat），三變量相關(guān)圖制作簡單，即按變數(shù)值（Pt、Rt）的相關(guān)點(diǎn)繪于坐標(biāo)圖上，并標(biāo)明各點(diǎn)的參變量Pa 值，然后根據(jù)參變量的分布規(guī)律以及降雨產(chǎn)流的基本原理繪制Pa 的等值線族。

②匯流。流域匯流預(yù)報(bào)是指凈雨量預(yù)報(bào)流域出口斷面的洪水流量過程，包括地面徑流、壤中流和地下徑流匯流而匯集于出口斷面的流量過程預(yù)報(bào)。單位線是指在給定的流域上，單位時(shí)段內(nèi)分布均勻的1 單位凈雨量的直接徑流產(chǎn)流量所形成的流域出口斷面流量過程線，記為UH。當(dāng)實(shí)際降雨量和流量過程線分析推求UH 時(shí)，需做2 個(gè)假定：①如果單位時(shí)段內(nèi)凈雨深是n 個(gè)單位，它所形成的出流過程線的總歷時(shí)與UH 相同，流量值則是UH 的n 倍。②如果凈雨歷時(shí)是m 個(gè)時(shí)段，則各時(shí)段凈雨所形成的出流過程之間互不干擾，出口斷面的流量過程等于m 個(gè)流量過程之和。

（2）新安江模型。

益陽市地處山區(qū)濕潤氣候帶，徑流的來源是降雨。多年的研究和實(shí)踐表明這類地區(qū)的降雨產(chǎn)流機(jī)制主要是蓄滿產(chǎn)流。因此采用三水源產(chǎn)流模型（SMS_3）、三水源滯后演算模型（LAG_3）、馬斯京根河道分段連續(xù)演算（MSK）構(gòu)建一套概念性模型預(yù)報(bào)方案。

①三水源產(chǎn)流模型（SMS_3）包括蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流量計(jì)算和分水源計(jì)算三部分。

蒸散發(fā)計(jì)算：流域蒸散發(fā)量采用三層蒸發(fā)模式計(jì)算。

產(chǎn)流量計(jì)算：用流域蓄水容量曲線來考慮流域面上土壤缺水量與蓄水容量相等。設(shè)點(diǎn)蓄水容量為Wm，其最大值為Wmm，流域蓄水容量曲線是一條b次拋物線。當(dāng)扣去蒸發(fā)后的降雨P(guān)E 小于0 時(shí)，不產(chǎn)流，大于0 時(shí)則產(chǎn)流。

產(chǎn)流又分局部產(chǎn)流和全流域產(chǎn)流兩種情況：

當(dāng)PE+a＜Wmm 時(shí)，局部產(chǎn)流量為：

當(dāng)PE+a≥Wmm 時(shí)，全流域產(chǎn)流量為：

R=PE-（WM-W）

分水源計(jì)算：對濕潤地區(qū)以及半濕潤地區(qū)汛期的流量過程線分析，徑流成分一般包括地表、壤中和地下這三種成分。

②三水源滯后演算匯流模型(LAG_3)：流域?qū)粲赀^程的作用表現(xiàn)為推移和坦化。凈雨過程經(jīng)過推移和坦化后變成洪水過程線。滯后演算法就是把洪水波運(yùn)動(dòng)中的平移與坦化兩種作用分開且一次處理。

③馬斯京根河道分段連續(xù)演算（MSK）：馬斯京根法20 世紀(jì)30年代在美國馬斯京根河首先使用，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的方法，后被證明與擴(kuò)散波理論是完全一致的，其參數(shù)的物理意義與函數(shù)形式都很明確，廣泛應(yīng)用于河道匯流演算。馬斯京根法的基本原理是基于水量平衡方程：（I1+I2）-（O1+O2）=W2-W1和槽蓄方程W=K[xI+（1-x）O]=KQ′，式中：Q′=xI+（1-x）O。

柘溪水庫入庫流量預(yù)報(bào)方案：冷水江+冷柘區(qū)間。冷水江輸入采用馬斯京根河道連續(xù)演算法（MSK），冷柘區(qū)間輸入采用蓄滿產(chǎn)流模型（SMS_3）和滯后演算模型（LAG_3），區(qū)間其結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 柘溪水庫預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)圖

方案參數(shù)率定采用1996、2001、2003、2004、2005、2007、2009、2010、2012、2014年汛 期資料，模型檢驗(yàn)采用1998、2002、2006、2011、2013年汛期資料進(jìn)行檢驗(yàn)。率定方法采用單純形法，雨量權(quán)重計(jì)算采用泰森多邊形法。柘溪站率定參數(shù)見表1。

表1 新安江模型率定參數(shù)（柘溪）

桃江站洪水預(yù)報(bào)方案：預(yù)報(bào)方案以柘溪出庫+柘桃區(qū)間作為輸入，河道匯流采用馬法演算，區(qū)間產(chǎn)流采用新安江三水源蓄滿產(chǎn)流模型計(jì)算，區(qū)間匯流采用流域滯后演算計(jì)算。區(qū)間輸入采用蓄滿產(chǎn)流模型（SMS_3）和滯后演算模型（LAG_3），其結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 桃江站預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)圖

方案參數(shù)率定采用1995、1996、1998、2002、2008、2011、2012、2014年汛期資料，模型檢驗(yàn)采用1994、1999、2004、2007、2010年汛期資料。率定方法采用單純形法，雨量權(quán)重計(jì)算采用泰森多邊形法。桃江站率定參數(shù)見表2。

表2 新安江模型率定參數(shù)（桃江）

通過對這些參數(shù)進(jìn)行合理估計(jì)，實(shí)際應(yīng)用中，由于不能建立這些參數(shù)與地形、植被和土壤特性之間的明確數(shù)量關(guān)系，參數(shù)的直接確定仍有一定的難度。新安江模型的輸入簡單，實(shí)用性強(qiáng)，在我國大部分地區(qū)已廣泛應(yīng)用，但其很多參數(shù)物理意義不明確，還需進(jìn)一步研究。

4 原因分析

“140715”及“140716”洪水，根據(jù)柘桃區(qū)間降水及柘溪下泄，采用API 及新安江三水源模型綜合分析于2014年7月16日3 時(shí)發(fā)布預(yù)報(bào)： 桃江站洪峰出現(xiàn)時(shí)間為7月16日22 時(shí)左右，洪峰流量7 800 m3/s，洪峰水位42.3 m。實(shí)況：桃江站洪峰水位42.67 m，實(shí)測流量8 500 m3/s，洪峰出現(xiàn)時(shí)間7月16日20時(shí)，之后水位回落，出現(xiàn)洪峰水位。7月16日5 時(shí)開始，安化境內(nèi)再次普降大到特大暴雨，柘益區(qū)間水位再次上漲，根據(jù)柘桃區(qū)間降水及柘溪下泄，采用上述兩種方法綜合分析于7月16日9 時(shí)發(fā)布預(yù)報(bào)：桃江站洪峰出現(xiàn)時(shí)間為7月17日1 時(shí)左右，洪峰流量8 900 m3/s，洪峰水位43.0 m。實(shí)況：桃江站洪峰出現(xiàn)時(shí)間7月17日0∶35，洪峰水位42.93 m，實(shí)測洪峰流量8 930 m3/s。

“150602”洪水，根據(jù)柘桃區(qū)間降水及柘溪下泄，采用API 及新安江三水源模型綜合分析于2015年6月2日15 時(shí)發(fā)布預(yù)報(bào)：桃江站洪峰出現(xiàn)時(shí)間為6月3日3 時(shí)左右，洪峰水位38.8 m，洪峰流量為4 200 m3/s。實(shí)況：桃江站于6月3日1 時(shí)出現(xiàn)洪峰，洪峰水位為38.71 m，實(shí)測洪峰流量為4 370 m3/s。

洪號“140715”預(yù)報(bào)值與實(shí)測值出入較大，原因：①“140715”暴雨強(qiáng)度大，下滲相對較小，產(chǎn)匯流快；②山塘及中、小型水庫前期蓄水較多，下泄量預(yù)估過小；③降水主要集中在安化境內(nèi)；④東坪、株溪口調(diào)度時(shí)堵洪1 h 時(shí)左右；⑤API 模型預(yù)報(bào)，前期土壤量Pa 值取值偏小。洪號“140716” 預(yù)報(bào)值與實(shí)測值接近，原因：①預(yù)估山塘及中、小型水庫下泄量與實(shí)際下泄比較接近；②東坪、株溪口閘門全開泄洪，滯洪小； ③API 模型預(yù)報(bào)，Pa 值取值接近實(shí)況。洪號“150602” 預(yù)報(bào)值與實(shí)測值接近，原因：①雨強(qiáng)及降雨空間與“140715”暴雨極其相似，山塘及及中、小型水庫蓄水較多，充分預(yù)估了其下泄量，預(yù)估與實(shí)際下泄比較接近；②柘溪按滿發(fā)下泄，東坪、株溪口閘門全開泄洪，滯洪?。虎跘PI 模型預(yù)報(bào)，前期土壤量Pa值取值接近實(shí)況。預(yù)報(bào)值與實(shí)測值對比見表3。

5 幾點(diǎn)思考

暴雨洪水產(chǎn)生于暴雨，暴雨形成于一定天氣系統(tǒng)。由于特定流域內(nèi)天氣系統(tǒng)類型具有相對穩(wěn)定的規(guī)律，使流域內(nèi)暴雨過程得以重演，從而形成的洪水過程具有相似性。資水柘桃區(qū)間山洪災(zāi)害頻發(fā)，影響洪水預(yù)報(bào)精度的不確定性因素很多，面對復(fù)雜多變的天氣特征和受諸多人為因素影響的河道現(xiàn)狀，有幾個(gè)問題值得探討：

表3 預(yù)報(bào)值與實(shí)測值對比表

（1）安化為暴雨頻發(fā)區(qū)，而且近些年汛期暴雨與特大暴雨頻發(fā)。山塘，中、小型水庫的下泄流量根本無法獲知，安化的山塘、水庫下泄這塊在洪水預(yù)報(bào)中不可忽視，這也是影響洪水預(yù)報(bào)精度的一個(gè)重要的不確定性因素。目前益陽市中小型水庫水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)及實(shí)時(shí)監(jiān)控管理信息系統(tǒng)已建成，建議與水利部門對接，將山塘、水庫數(shù)據(jù)庫整合到水情數(shù)據(jù)。

（2）桃江的水位流量關(guān)系問題至關(guān)重要，它直接影響預(yù)報(bào)水位的準(zhǔn)確性。近年來，桃江的水位流量關(guān)系年際間變化較大，時(shí)大時(shí)小，時(shí)小時(shí)大，這給洪水預(yù)報(bào)增添了難度，其結(jié)果是直接導(dǎo)致預(yù)報(bào)水位的準(zhǔn)確性。因此建議桃江站在加強(qiáng)流量測驗(yàn)的前提下，在高洪水位下對桃江站上下一定范圍內(nèi)進(jìn)行同步Z～Q 測驗(yàn)。

（3）柘溪以下梯級電站的調(diào)度問題。近年來，資水柘桃區(qū)間相繼建成東坪、株溪口、馬跡塘、白竹洲、修山5 級梯級電站，電站為擋水建筑物，對河道行洪自然有影響，給柘桃區(qū)間的洪水預(yù)報(bào)增添了不少不確定性因素。《資水柘溪以下梯級電站聯(lián)調(diào)方案》經(jīng)市、縣防辦，各梯級電站及有關(guān)人員反復(fù)討論，并通過了專家評審，一致認(rèn)為方案技術(shù)上合理、可行，因而市、縣兩級梯調(diào)小組成員務(wù)必嚴(yán)格按《聯(lián)調(diào)方案》執(zhí)行，同時(shí)防止各梯級電站無序泄洪，人為造峰，柘溪以下5 級梯級電站雨水情信息遙測系統(tǒng)已建成，建議與市水文局水情科實(shí)現(xiàn)信息共享與對接。

（4）資水柘桃區(qū)間的5 個(gè)梯級電站除馬跡塘之外均在2005年以后才陸續(xù)建成，在構(gòu)建新安江模型時(shí)，所采用的資料大多為梯級電站未建之前的資料（自2003年以來，桃江站除2014年發(fā)生了一場較大洪水過程外，其余年份為中小洪水），許多參數(shù)還有待進(jìn)一步完善與優(yōu)化。就新安江模型而言，具有三個(gè)方面的不確定性：一是模型參數(shù)的不確定性，這主要是由于水文變量和模型參數(shù)具有很大的隨機(jī)性；二是水文過程的不確定性，主要是由于氣象水文條件和水流運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性所引起的； 三是模型自身的不確定性，不同的模型或同一模型在不同的空間和時(shí)間分布下使用同樣的參數(shù)可能會得到較大差別的計(jì)算結(jié)果。提高洪水預(yù)報(bào)精度，不僅需要能客觀反映流域下墊面條件差異性及其水文響應(yīng)的水文模型，而且還需要準(zhǔn)確的降雨時(shí)空信息。

（5）加強(qiáng)河道管理。資水柘桃區(qū)間位于流域的暴雨中心，暴雨產(chǎn)生的泥石流、山體滑坡、洪澇災(zāi)害頻發(fā)，河道行洪能力明顯減弱。建議加強(qiáng)采砂整治，對亂建、濫倒等破壞侵占河道的違法行為加大打擊力度。

（6）加強(qiáng)技術(shù)隊(duì)伍培養(yǎng)。洪水預(yù)報(bào)相對復(fù)雜，如何建立集雨水情信息采集、查詢、預(yù)報(bào)與調(diào)度為一體的高效的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提高洪水預(yù)報(bào)的精度和延長有效預(yù)見期，為防洪調(diào)度及防災(zāi)減災(zāi)爭取主動(dòng)、最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失提供決策支持和服務(wù)。筆者認(rèn)為需定期舉辦如現(xiàn)代水文模擬與預(yù)報(bào)技術(shù)、模型預(yù)報(bào)、3S 技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等方面的培訓(xùn)。

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