吳 限

(遼寧省鬧德海水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 阜新 123000)

1 概 況

大石橋市位于遼東半島北部，全市總土地面積1600km2，總?cè)丝?0萬人。市轄17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，行政村234個，自然村378個。在地形上，大石橋市可分為3個區(qū)，東部、中部及西部分別為為山地、丘陵和平原區(qū)。大石橋市境內(nèi)共有旗口(建站時間1951年)、黃土嶺(建站時間1960年)、湯池(建站時間1959年)、班家堡子(建站時間1961年)、大石橋(建站時間1959年)5處雨量站，境內(nèi)較大的河流有大遼河、大清河、勞動河、青天河、虎莊河、淤泥河、大旱河等27條天然和人工河流，總長578km，流域面積532.3km2。

根據(jù)遼寧省山洪災(zāi)害防治規(guī)劃可知，涉及到大石橋市小流域14條。其中，1級重點防治區(qū)有小流域3條，占總面積的0.0012%；2級重點防治區(qū)有小流域2條，占總面積的14.51%；上述重點防治區(qū)面積占總面積的14.5112%；一般防治區(qū)有小流域9條，占總面積的47.74%。

2 山洪災(zāi)害情況

大石橋山區(qū)經(jīng)常發(fā)生不同程度的山洪，季節(jié)性強，經(jīng)調(diào)查，自1953年以來，大石橋市境內(nèi)發(fā)生了多處山洪災(zāi)害，累計暴雨洪澇災(zāi)害16次，受災(zāi)人口5.14萬，累計死亡人數(shù)14人，受災(zāi)總面積6.6hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失4980萬元。

2.1 山洪災(zāi)害防治現(xiàn)狀

大石橋市山洪災(zāi)害共建設(shè)40個自動雨量監(jiān)測站、3個水文巡測站、11個自動水位監(jiān)測站、16個簡易水位監(jiān)測站，共集成70個監(jiān)測站點，組成了大石橋市山洪災(zāi)害防治雨水情監(jiān)測站網(wǎng)。每年進(jìn)入汛期，各級政府及防汛職能部門都要利用多種方式宣傳山洪災(zāi)害防御知識。

2.2 資料評估與處理

根據(jù)遼寧省山洪災(zāi)害防治規(guī)劃的要求，在設(shè)計暴雨計算、設(shè)計洪水分析、防洪狀況評價、預(yù)警指標(biāo)分析等方面進(jìn)行了分析與評價,都涉及到方法選擇問題。而方法的選擇，受到工作目標(biāo)的要求、基礎(chǔ)資料可靠性、完整性、一致性、代表性、技術(shù)人員的經(jīng)驗和能力、技術(shù)實現(xiàn)手段的便捷等因素的綜合影響[1-6]。選擇適合當(dāng)?shù)亓饔蜃匀?、地理環(huán)境，符合當(dāng)?shù)亓饔虍a(chǎn)、匯流特性的計算方法，最重要的基礎(chǔ)工作，就是對現(xiàn)場調(diào)查、內(nèi)外業(yè)處理后的資料，從可用性、可靠性、完整性、一致性、代表性等方面進(jìn)行評價[7]，然后選擇適當(dāng)?shù)姆椒?，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對性的分析整理，建立相應(yīng)的分析計算模型，并進(jìn)行進(jìn)一步的工作。

3 模型原理及結(jié)果分析

結(jié)合水文模型對任意時段T內(nèi)降雨產(chǎn)生的洪水過程進(jìn)行推求。

3.1 非線性時變增益模型原理

采用非線性時變增益模型作為水文模型來確定動態(tài)臨界降雨量，推導(dǎo)出降雨期間的洪水過程：

Y(d,n)=X(d,n)-L(d,n)

(1)

L(d,n)=E(d,n)±△S(d,n)

(2)

式中：X(d,n)為降水的日量，mm；E(d,n)為蒸發(fā)日量，mm；n為計算時間尺度；△S(d,n)為流域蓄水增量，mm；Y(d,n)為增益變量；L(d,n)產(chǎn)流損失變量。

3.2 計算產(chǎn)流系數(shù)G

計算產(chǎn)流系數(shù)G的計算公式為：

(3)

在方程(3)基礎(chǔ)上，計算產(chǎn)流量：

R(t)=G(t)X(t)

(4)

在方程(4)中G(t)為表示為產(chǎn)流系數(shù)。其計算方程為：

G(t)=g1APIg2

(5)

在方程(5)g1和g2表示為產(chǎn)流增益參數(shù)；模型的前期影響雨量計算方程為：

(6)

在方程中U0(σ)表示為響應(yīng)卷積函數(shù)；其匯流計算方程為：

(7)

在方程(7)中U(τ)表示為模型的響應(yīng)系統(tǒng)函數(shù)。

3.3 模型參數(shù)設(shè)置

根據(jù)北方旱區(qū)中小河流洪水預(yù)報中改進(jìn)的非線性時變增益模型應(yīng)用研究[10]，對研究區(qū)非線性時變增益模型的初始參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置。非線性時變增益模型參數(shù)設(shè)置結(jié)果，見表1。

表1 非線性時變增益模型參數(shù)設(shè)置結(jié)果

3.4 模型結(jié)果分析

結(jié)合大石橋地區(qū)9個洪水資料和非線性時變增益模型，對不同時段(1h、3h)的產(chǎn)匯流進(jìn)行了模擬，并結(jié)合水文信息預(yù)報準(zhǔn)則，分析了產(chǎn)匯流的場次洪水合格率，研究區(qū)域產(chǎn)流模擬結(jié)果，見表2；研究區(qū)域1h的匯流模擬結(jié)果，見表3；研究區(qū)域3h的匯流模擬結(jié)果，見表4。

表2 研究區(qū)域產(chǎn)流模擬結(jié)果

表3 研究區(qū)域1h的匯流模擬結(jié)果

表4 研究區(qū)域3h的匯流模擬結(jié)果

根據(jù)區(qū)域徑流模擬中非線性時變增益模型的合格率，9次洪水產(chǎn)流誤差合格率達(dá)到100% ，這主要是因為考慮降雨和徑流非線性時變徑流模型適合小流域徑流特性。根據(jù)兩個時期的模擬結(jié)果可以看出，1h 和3h 匯流模擬合格率達(dá)到水文情報預(yù)報規(guī)范的精度，模擬精度較高，這主要是由于非線性時變增益模型采用徑流匯流響應(yīng)函數(shù)，建立了適合小流域徑流匯流的響應(yīng)特征方程，在小流域暴雨洪水匯流計算中具有較高的計算精度。

4 預(yù)警指標(biāo)檢驗

通過非線性時變增益模型的計算，確定了區(qū)域降雨與徑流的關(guān)系，根據(jù)降雨量與徑流量的關(guān)系，建立了不同時期(1h 和3h)的動態(tài)臨界降雨量及其影響因素，得到了區(qū)域山洪暴發(fā)預(yù)警的動態(tài)臨界曲線。利用動態(tài)臨界曲線檢驗各洪水?dāng)?shù)據(jù)的預(yù)警效果。1h臨界雨量指標(biāo)檢驗，見表5；3h臨界雨量指標(biāo)檢驗，見表6。為了分析預(yù)警指標(biāo)的客觀性和適用性，將預(yù)警期定義為洪水上漲期與流量預(yù)警值之間的降雨期。通過比較降雨量和預(yù)警降雨量，判斷是否需要進(jìn)行山洪預(yù)警，并根據(jù)實測流量是否達(dá)到預(yù)警值來檢驗預(yù)警的準(zhǔn)確性。

表5 1h臨界雨量指標(biāo)檢驗

表6 3h臨界雨量指標(biāo)檢驗

通過對不同時期臨界降雨量的測試結(jié)果表明，基于非線性時變增益模型的山洪預(yù)警精度高于基于傳統(tǒng)土壤含水量模型的山洪預(yù)警精度。結(jié)果表明，降雨臨界預(yù)警值是由降雨累積值、前期含水量、降雨空間分布和降雨強度等因子綜合確定的?；谕寥篮康念A(yù)警方法是在土壤含水量充足時，以相應(yīng)的降雨量作為預(yù)警臨界值，并以此作為一個固定指標(biāo)，該方法的局限性在于沒有考慮降雨累積對降雨臨界預(yù)警的影響。當(dāng)累積降水量接近降水臨界值時，易發(fā)生假警報，特別是短時暴雨時，預(yù)警周期越短，預(yù)警精度越高。但是，當(dāng)降雨時間<3h時，實測洪峰與流量警戒值接近，但由于3h 累積降雨量較低，未必達(dá)到降雨警戒臨界值。在實踐中，應(yīng)盡可能降低預(yù)警的錯誤率，以提高預(yù)警的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 語

經(jīng)分析該模型適用于小流域降雨和徑流的非線性變化特征，產(chǎn)匯流模擬精度較高，可用于確定小流域降雨的動態(tài)臨界值，需要將時間間隔降雨量與降雨預(yù)警臨界值進(jìn)行比較，綜合判斷是否需要預(yù)警，并結(jié)合實測流量和流量預(yù)警值檢驗預(yù)警的準(zhǔn)確性。為了降低誤報率，提高預(yù)警精度，預(yù)警周期越短，預(yù)警精度越高，多因素綜合預(yù)警應(yīng)綜合分析不同時期的降雨臨界值。