張萬寶，蘇新國

（寧夏回族自治區(qū)水文水資源勘測局，750001，銀川）

寧夏賀蘭山小流域洪水預報方法探討

張萬寶，蘇新國

（寧夏回族自治區(qū)水文水資源勘測局，750001，銀川）

針對寧夏賀蘭山溝道流域面積小、暴雨洪水突發(fā)性強、洪水預見期短的特點，在了解國內(nèi)外洪水預報方法及小流域洪水預報難點的基礎上，通過該區(qū)域?qū)崪y水文資料，分析研究該區(qū)域產(chǎn)匯流規(guī)律，建立降雨徑流相關圖、時段降雨強度與洪峰流量相關圖，嘗試采用主因子經(jīng)驗相關法解決小流域洪水預報的需要。

小流域；洪水預報；賀蘭山

寧夏賀蘭山東麓植被稀疏、山勢陡峭，暴雨洪水突發(fā)性強，災害頻發(fā)，洪水極易對下游銀川市、石嘴山市造成災害。由于賀蘭山溝道分布廣、數(shù)量多，流域面積小，暴雨洪水突發(fā)性強，洪水歷時短，洪水預報工作難度大。為減少洪水危害，開展了該區(qū)域水文預報技術研究，以期將災害程度降至最低。

一、基本情況

賀蘭山位于寧夏西北部、黃河左岸，東麓南起花石溝，北至柳條溝，山脈呈西南、東北走向，與黃河流向平行。全長200 km，寬30 km。除大武口溝集水面積574 km2外，其他溝道流域面積均小于200 km2，其中集水面積大于50 km2的13條。

賀蘭山東麓植被稀疏、山勢陡峭，暴雨洪水頻繁，地面徑流以暴雨洪水形式出現(xiàn)，危害較大的主要有大武口溝、大風溝、汝箕溝、大水溝、蘇峪口溝等。特別是1998年5月20日，白寺溝、蘇峪口溝、賀蘭口溝發(fā)生超百年一遇洪水。金山攔洪庫東堤多處決口，15萬人受災，4 000多人無家可歸，近10萬畝（1畝=1/15 hm2，下同）農(nóng)田被淹，5萬畝絕產(chǎn)，直接經(jīng)濟損失2.0億元。2006年7月14日，賀蘭山地區(qū)普遍產(chǎn)生洪水，部分溝道發(fā)生50年一遇洪水，造成19.5萬人受災，直接經(jīng)濟損失2.3億元。

二、國內(nèi)外洪水預報技術研究進展

1.國外研究進展

日本國立防災科學研究中心的菅原正于1961年提出水箱模型（Tank Model），該模型在國內(nèi)外應用情況良好。1969年，加拿大學者發(fā)表題為《一個具有物理基礎數(shù)值模擬的水文響應模型的藍圖》的文章，該文被認為首次提出了分布式水文模型的概念。分布式水文模型是基于過程描述的模型，能夠克服集總式流域水文模型物理基礎薄弱的缺點，對水文物理過程的時空變化描述更貼近真實情況。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，出現(xiàn)了眾多分布式物理模型，比較典型的有VSAS、IHDM、SHE模型。

2.國內(nèi)研究進展

我國長期采用美國霍爾頓20世紀30年代提出的超滲產(chǎn)流概念。在20世紀60年代初，我國學者趙人俊在廣泛研究南方流域的基礎上，提出了蓄滿產(chǎn)流的概念。目前國內(nèi)常用洪水預報方法為經(jīng)驗相關法、傳統(tǒng)水文模型（典型的有新安江模型、河北模型、陜北模型）、現(xiàn)代水文模型（人工神經(jīng)網(wǎng)絡、分布式模型）、系統(tǒng)數(shù)學模型等。

3.國內(nèi)中小流域洪水預報編制的現(xiàn)狀和難點

盡管當今的水文預報和方法較多，但精度不高是目前我國中小河流洪水實時預報面臨的普遍問題，中小河流的洪水預報已經(jīng)成為水文預報業(yè)務發(fā)展的一個瓶頸，以至于水文情報預報規(guī)范中至今尚未制定出其精度評價標準。中小河流洪水的特點決定了中小河流的洪水預報與大江大河的洪水預報思路不同，其難點可以歸納為以下幾個方面：

①中小河流的水文資料一般較為缺乏，多屬無資料、缺資料地區(qū)。

②監(jiān)測站點不足，站網(wǎng)密度不夠。

③由于暴雨的時空分布極不均勻，中小河流的洪水發(fā)生時間較短，常規(guī)水文6小時的報汛方法很難對其進行有效預報。

④現(xiàn)有通用的水文模型直接應用于中小河流的洪水預報中，缺乏針對性，無法適應洪水的特征，預見期和預報精度難以滿足需求。

三、洪水預報方案的研究

1.賀蘭山洪水預報的特點

①賀蘭山洪水突發(fā)性強、匯流時間短、新建站點多、觀測資料缺乏等特點，決定了山洪預報有效預見期短，方案編制困難，方案精度評定有別于大江大河。

②方案的編制堅持“可靠實用、技術先進”的原則。以實際業(yè)務需求為出發(fā)點，結合山洪預警預報的專業(yè)特點，選用當前成熟、實用的預報方法。

2.主要技術路線

①根據(jù)賀蘭山區(qū)域的暴雨洪水特點，通過現(xiàn)有的3個水文站及配套雨量站的資料，分析產(chǎn)流匯流規(guī)律、洪峰出現(xiàn)時間、洪水總量，建立流域降雨量與徑流量、降雨強度與洪峰流量等相關圖，以此建立預報方案。

②根據(jù)3個水文站的地貌特點、流域特征等因素，對其他溝道的流域特點與3個水文站的代表性進行分析后，確定代表流域，對其他溝道的洪水進行預報。

3.傳統(tǒng)經(jīng)驗預報方案

（1）流域產(chǎn)流規(guī)律

由于賀蘭山地處干旱區(qū)，土壤經(jīng)常處于干旱狀態(tài)，一次降雨使流域達到飽和的概率極小，當雨強超過損失率，超過部分即可變?yōu)榈孛鎻搅鲄R成洪水，產(chǎn)流方式以超滲產(chǎn)流為主。

根據(jù)洪水資料分析，賀蘭山產(chǎn)流根據(jù)公式：

式中，Ri為產(chǎn)流期某時段凈雨（mm）；Hi為產(chǎn)流期某時段面雨量（mm）；fi為產(chǎn)流期某時段損失水量（mm）。

（2）降雨徑流經(jīng)驗相關分析降雨徑流相關關系為：

式中，R為徑流深（mm）；P為降雨量（mm）；Pa為前期影響雨量（mm）；tr為降雨歷時（h）。

根據(jù)水文站實測各場次洪水所對應的降雨量（P）與凈雨深（R）建立相關關系，其相關系數(shù)在0.7～0.97之間，相關性較好。3個水文站的降雨量與凈雨深關系中，產(chǎn)流量由大到小分別是汝箕溝、大武口、蘇峪口，反映了流域下墊面條件的差異性（見圖1）。

圖1　流域平均降雨量與凈雨深關系圖

（3）產(chǎn)流損失量分析

根據(jù)配套雨量站的降雨過程，用試算法分析計算產(chǎn)流期平均損失量，即從降雨過程中，先假定平均損失量，當降雨過程扣除損失后的凈雨量與采用洪水過程計算的清水量換算的凈雨深相等時，此時的平均損失量即為本場洪水的平均損失量。

對3處水文站實測洪水資料進行分析，各場次洪水的產(chǎn)流時段、產(chǎn)流期降雨量與平均損失量建立相關關系（見圖2）。

平均損失率fi公式及參數(shù)為：

式中，tc為產(chǎn)流時段（h）；Htc為產(chǎn)流期降雨量（mm）。

產(chǎn)流前初損量的確定：根據(jù)實測洪水場次的產(chǎn)流與降雨過程分析，認為第一時段產(chǎn)流前的降雨量為初損雨量，統(tǒng)計分析賀蘭山3處水文站初損雨量分別為：大武口、汝箕溝兩站12mm，蘇峪口站8mm。

（4）洪峰流量的預見期

洪峰出現(xiàn)預見期主要與流域面積大小、河道長度、暴雨中心位置等因素有關。根據(jù)3處水文站各場次洪水最大降雨時間與洪峰出現(xiàn)時間的統(tǒng)計分析，各站洪峰出現(xiàn)時間平均為36～85min（見表1）。將此時間作為預報洪水的參考洪峰滯時。降雨中心的位置處于流域上游，則洪峰出現(xiàn)滯時較長，否則洪峰出現(xiàn)滯時較短。

圖2　賀蘭山區(qū)產(chǎn)流期損失參數(shù)相關圖

表1　水文站實測洪峰滯時統(tǒng)計表

（5）洪水預報方法

①根據(jù)流域內(nèi)雨量站的降雨量計算平均降雨量，再根據(jù)降雨徑流相關關系，計算流域凈雨。

②根據(jù)各雨量站諸時段降雨量，以及流域凈雨量，通過試算確定產(chǎn)流時段及平均損失量。

③根據(jù)各時段凈雨，通過匯流單位線，計算流域斷面出口的洪峰流量。

4.傳統(tǒng)洪水預報方法的缺陷

①對于中小流域，特別是寧夏賀蘭山地區(qū)，由于洪水預見期特短，從最大降雨強度出現(xiàn)至洪峰出現(xiàn)，蘇峪口、汝箕溝一般在15～60min，大武口在30～90min。

②傳統(tǒng)降雨徑流相關圖大多用于較大流域的洪水預報，該預報方案需在降雨過程完成后才能進行。一般在最大降雨強度出現(xiàn)后還有中小強度的降雨，因此該種預報方法難以滿足預見期的需要。

5.主因子經(jīng)驗相關法

由于產(chǎn)流期的長短在降雨過程中隨降雨強度的變化而變化，在降雨徑流預報實施過程中無法事先知道究竟有幾個時段產(chǎn)流，寧夏賀蘭山大部分溝道流域面積較小，匯流時間及預見期很短，采用降雨徑流相關法預報達不到預期目標，因此，本文通過其他方面的研究獲得洪峰流量的預報。

（1）影響洪峰流量的主要因子

①降雨因素：降雨量、降雨強度、降雨時空分布。

②流域因素：流域面積、流域形狀（溝道長度、流域?qū)挾龋?、主溝道比降?/p>

③下墊面因素：土壤、植被。

對于一個特定的流域來講，流域面積、形狀是固定的，下墊面條件也基本一致。因此，降雨是影響特定流域洪峰流量的主要因素。對大量實測暴雨洪水資料進行分析，因賀蘭山地區(qū)產(chǎn)流方式為超滲產(chǎn)流，洪峰流量的大小主要取決于降雨強度的大小，即降雨強度對洪峰流量的貢獻最大。因此，試圖建立降雨強度與洪峰流量的相關關系。

（2）最大降雨強度與洪峰流量相關

根據(jù)3處水文站實測洪峰流量（為了3個站對照，采用洪峰模數(shù)，即洪峰流量/流域面積）與產(chǎn)流期最大時段降雨強度進行相關分析（見圖3），其基本符合線性相關，相關系數(shù)在0.66～0.85之間，相同降雨強度下汝箕溝站洪峰模數(shù)較大，其他兩站偏小且接近，最大降雨強度與洪峰模數(shù)關系見表2。

表2　最大降雨強度與洪峰模數(shù)關系表

四、洪水預報方法

1.洪水預警方案

根據(jù)水文站實測洪水資料分析成果，降雨量與凈雨量相關圖及降雨強度與洪峰模數(shù)相關圖綜合分析，流域平均降雨量累計超過10mm，且1 h降雨強度超過5mm即產(chǎn)生徑流。以此作為洪水預警標準，當流域平均雨量超過10mm，且1 h降雨量超過5 mm就啟動洪水預警。

2.洪水預報方案

根據(jù)實時水雨情信息和實時降雨過程，流域平均降雨量累計超過10 mm，當1 h降雨量超過5mm時，按照實測降雨強度，啟動洪水預報系統(tǒng)，預報洪峰流量、洪水量及洪峰出現(xiàn)時間。

（1）洪峰流量預報

根據(jù)實時監(jiān)測的流域內(nèi)配套雨量站的時段降雨量資料進行分析預報。當時段降雨量超過預警雨量后，根據(jù)表2中的經(jīng)驗公式預報洪峰模數(shù)推求洪峰流量。當最大時段降雨量出現(xiàn)時，即為本次降雨形成的最大洪峰流量。

圖3　最大降雨強度與洪峰模數(shù)相關圖

（2）洪水時間預報

最大時段降雨量出現(xiàn)即預報出洪峰流量，流域內(nèi)降雨中心位于流域中心位置取平均值，降雨中心位于下游取小值，降雨中心位于上游取大值（按平均時間的30%進行加減）。

（3）洪水總量預報

根據(jù)本場次降雨的累計降雨量，計算流域平均降雨量，由降雨徑流相關圖計算流域凈雨量，進而計算洪水總量，由此預報出洪水總量。

五、預報方案的精度評價

1.水文預報方案的評定標準

①根據(jù)《水文情報預報規(guī)范》要求的20%，一般采用降雨徑流預報方案進行預報的，洪峰流量的許可誤差取實測值的20%，并以流量測驗誤差為下限。洪峰出現(xiàn)時間的許可誤差取實測值的30%。

預報項目的精度按合格率或確定性系數(shù)的大小分為3個等級。甲等：合格率≥85%；乙等：85%＞合格率≥70%；丙等：70%＞合格率≥60%。

②對于由短歷時、高強度暴雨形成的小范圍山洪（匯流時間通常在6 h以內(nèi)的），對驟發(fā)性洪水的預報可不進行精度評價。

2.洪水預報與實測洪水的分析

①根據(jù)制定的預報方案與實測的30多場次洪水資料進行預測精度分析，誤差按照《水文情報預報規(guī)范》要求的20%，綜合合格率洪水總量60%，洪峰流量僅為47%；按照30%精度控制，綜合合格率洪水總量81%，洪峰流量為63%。

②考慮本區(qū)域暴雨的局地性較強，且方案采用的3處水文站配套系列較長的自計雨量站少，對各站大洪水場次重新進行誤差分析，按照《水文情報預報規(guī)范》要求的20%，綜合合格率洪峰流量為78%，洪水總量61%，見表3。

表3　預報精度評價表

六、綜合評價

①賀蘭山地區(qū)多為由短歷時、高強度暴雨形成的小范圍山洪（匯流時間通常在2 h以內(nèi)）。根據(jù)《水文情報預報規(guī)范》，對于小流域驟發(fā)性洪水，不進行預報。

②賀蘭山地處寧夏銀川市、石嘴山市，是這兩座城市重要的防洪區(qū)域，極易造成洪水災害。為了減少洪水災害造成的損失，有必要開展洪水預報工作。

③由于流域面積小、匯流速度快，傳統(tǒng)的洪水預報方法滿足不了該地區(qū)洪水預見期極短的需求。本文采用傳統(tǒng)的預報方法進行產(chǎn)流分析，并結合區(qū)域特點采用主因子相關法，由于配套雨量站中具備系列較長的自計站較少、代表性差等客觀條件限制，預報精度較低。

④該洪水預報方案達到《水文情報預報規(guī)范》乙級方案的精度要求，可以用來進行洪水預報，解決了本地區(qū)洪水預報的問題。■

［1］寧夏水文水資源勘測局.寧夏暴雨洪水圖集［R］.1986.

［2］寧夏水文水資源勘測局.寧夏干旱半干旱區(qū)小流域暴雨洪水泥沙研究［R］. 2000.

［3］李巧玲，等.半濕潤半干旱流域降雨徑流關系及下墊面相似性［J］.河海大學學報，2015（2）.

［4］沈瑞昌，等.黃土高原小流域次暴雨洪峰流量影響因素分析［J］.中國水土保持科學，2015（2）.

［5］陳家琦.小流域暴雨洪水計算［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.

責任編輯張瑜洪

Flood forecastingmethods for Helanshan smallwatersheds in Ningxia

Zhang Wanbao，Su Xinguo

Since the area of valley channel is small，Helanshan small watershed has been suffering from sudden rainstorm due to the time limit of flood forecasting.The rules of runoff generation and production in this area have been examined based on understanding of flood forecast methods home and abroad，and correlation diagrams between precipitation and runoff aswell as between duration rainfall intensity and peek flood.Principal components analysis and experience correlationmethod are adopted for flood forecasting in smallwatershed on a trial basis.

small watershed；flood forecasting；Helanshan

TV877

B

1000-1123（2016）15-0028-04

2016-03-28

張萬寶，高級工程師。