任國(guó)源

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 北京 100038）

填洼損失量計(jì)算在海河流域洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

任國(guó)源

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 北京 100038）

本文對(duì)葫蘆島市南票區(qū)節(jié)水增糧工程項(xiàng)目的區(qū)域內(nèi)地質(zhì)與水文地質(zhì)條件進(jìn)行了詳細(xì)分析與研究，為項(xiàng)目的實(shí)施提供了可靠的地質(zhì)和水文地質(zhì)的地下水等條件分析依據(jù)，為同類項(xiàng)目建設(shè)起到了參考借鑒作用。

節(jié)水增糧 水文地質(zhì) 地層 地下水 分析

傳統(tǒng)水文模型大部分以集總式降水作為輸入，該水文模型已被國(guó)內(nèi)廣大水文預(yù)報(bào)工作者接受，并在全國(guó)范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)并具有一定的預(yù)報(bào)精度，這些模型在防汛、抗旱工作中仍在發(fā)揮重要作用，這也是該模式存在的重要原因之一。由于此類模型對(duì)下墊面“刻畫”不夠細(xì)致，所以下墊面的變化對(duì)模型的適用性提出了挑戰(zhàn)，影響了水文預(yù)報(bào)精度，這也是近些年分布式水文模型在我國(guó)許多地區(qū)被應(yīng)用和推廣的原因之一。

1 問題的提出

目前海河流域預(yù)報(bào)方案匯編中共有88個(gè)節(jié)點(diǎn)的預(yù)報(bào)方案，僅有4套改進(jìn)的新安江預(yù)報(bào)方案，其余均為經(jīng)驗(yàn)方案，河道匯流基本采用經(jīng)驗(yàn)單位線和M法,這些方案在構(gòu)建時(shí)對(duì)下墊面的地形、地貌特征，流域洼地、地面沉降等重要信息無法細(xì)致考慮，使這些預(yù)報(bào)方案存在對(duì)下墊面信息的處理上存在一定的缺陷，而且方案全部由歷史大洪水率定，但海河流域近20年沒有發(fā)生較大洪水，這期間由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，受人類活動(dòng)影響，流域的下墊面情況變化很大，致使流域產(chǎn)、匯流規(guī)律發(fā)生了改變。而目前常規(guī)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方法和常規(guī)的模型方法都需要場(chǎng)次洪水進(jìn)行產(chǎn)匯流參數(shù)率定，沒有足夠的場(chǎng)次洪水就無法修訂方案，所以目前應(yīng)用的方案無法真實(shí)反映變化的下墊面的情況，造成精度較低，大部分預(yù)報(bào)只能作為參考。如何利用現(xiàn)有的預(yù)報(bào)方案，提高作業(yè)預(yù)報(bào)時(shí)的精度是預(yù)報(bào)人員關(guān)心的問題。

2 技術(shù)思路

除了近年興起的純分布式模型，如SWAT模型，TOPMODEL模型等考慮添洼影響外，在傳統(tǒng)水文預(yù)報(bào)模型中，一般都沒有直接考慮降水初期的填洼水量，把降水初期的添洼影響隱含在其他參數(shù)中，如新安江模型就把添洼影響隱含在初始土含中。這種處理是建立在添洼影響較小而且下墊面變化不大的基礎(chǔ)上，對(duì)于影響和變化較大的區(qū)域，這樣處理就會(huì)對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果造成一定影響，容易出現(xiàn)預(yù)報(bào)的洪水過程起漲階段較實(shí)測(cè)洪水大，而且預(yù)報(bào)的洪水總量誤差也及較大的現(xiàn)象。

本文在不改變現(xiàn)有水文預(yù)報(bào)模型及其參數(shù)的基礎(chǔ)上，參考分布式模型處理填挖的思路，利用DEM資料，在泰森多邊形內(nèi)分析流域洼地、計(jì)算填洼量。傳統(tǒng)水文模型多采用泰森多邊形法將流域分為若干個(gè)雨量站代表面積，且假設(shè)泰森多邊形降雨分布是均勻的，雨量值為該泰森多邊形內(nèi)雨量站點(diǎn)的實(shí)測(cè)值?？鄢钔萘?，得到該泰森多邊形代表面積的雨量修正值，以該值作為傳

統(tǒng)水文模型的降水輸入，以便考慮了下墊面變化的對(duì)洪水預(yù)報(bào)成果的影響。

2.1 基于DEM的雨量站代表面積確定

由于GIS等許多軟件，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)泰森多邊形的劃分，所以在目前應(yīng)用的模型中大多以泰森多邊形法確定雨量站的代表區(qū)域。泰森多邊形方法是荷蘭氣候?qū)W家A.H.Thiessen提出的一種根據(jù)離散分布的氣象站的降雨量來計(jì)算平均降雨量的方法。泰森多邊形，具有三個(gè)基本特征：

（1）泰森多邊形內(nèi)的點(diǎn)到相應(yīng)的離散點(diǎn)的距離最近。

（2）每個(gè)泰森多邊形內(nèi)僅有一個(gè)離散點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（3）泰森多邊形邊上的點(diǎn)到其他兩邊的離散點(diǎn)的距離相等。

根據(jù)確定的泰森多邊形邊界，基于DEM資料，則可分析該泰森多邊形內(nèi)的下墊面情況，為填洼處理確定了范圍和依據(jù)。

2.2 填洼損失的計(jì)算

文中的填洼特指由于真實(shí)洼地的存在，而使得降水不能直接沿水流方向匯流，而被蓄積在洼地中所損失的水量。在填洼損失的水量扣除后，將剩余的降水量值作為現(xiàn)有水文預(yù)報(bào)模型的降水量輸入。

文中提出兩種計(jì)算填洼損失的方法。方法一是不考慮洼地中的水流方向，只填滿洼地柵格，剩余的水量即作為現(xiàn)有水文預(yù)報(bào)模型的降水量輸入；方法二是考慮洼地中的水流方向，至洼地區(qū)域全部被填滿后，剩余的水量才作為現(xiàn)有水文預(yù)報(bào)模型的降水量輸入。

不考慮洼地區(qū)域中的水流方向。如果不考慮洼地區(qū)域的水流方向，則在降水發(fā)生時(shí)，每個(gè)柵格的降水量達(dá)到此洼地深度后，填洼過程結(jié)束。

考慮洼地區(qū)域中的水流方向。如果考慮洼地區(qū)域的水流方向，則在降水發(fā)生時(shí)，洼地中的各柵格降水量達(dá)到此洼地深度后，再發(fā)生降水時(shí)，柵格中多余的水量將沿水流方向匯到其它洼地柵格。當(dāng)整個(gè)洼地區(qū)域全部達(dá)到蓄滿狀態(tài)后，填洼過程結(jié)束。

這兩種方法的不同在于對(duì)降水初期的降水過程有影響，而對(duì)于總填洼量沒有影響。

圖1是一個(gè)不考慮洼地內(nèi)水流方向的降水填洼損失計(jì)算示例。在例中假設(shè)每個(gè)柵格各時(shí)段的降水量均為2。（a）圖顯示的是各柵格的洼地深度；（b）圖顯示的是第一個(gè)時(shí)段的降水計(jì)算填洼損失量后的降水量值；（c）圖顯示的是第二個(gè)時(shí)段的降水計(jì)算填洼損失量后的降水量值。

圖2是一個(gè)考慮洼地內(nèi)水流方向的降水填洼損失計(jì)算示例。在例中假設(shè)每個(gè)柵格各時(shí)段的降水量均為2。（a）圖顯示的是各柵格的洼地深度；（b）圖顯示的是各柵格的水流方向；（c）圖顯示的是第一個(gè)時(shí)段的降水計(jì)算填洼損失量后的降水量值。

圖1 不考慮洼地內(nèi)水流方向的降水填洼損失計(jì)算

圖2 考慮洼地內(nèi)水流方向的降水填洼損失計(jì)算

由圖1與圖2比較可以看出，如果考慮洼地內(nèi)水流方向，則降水的填洼過程較不考慮洼地內(nèi)水流方向的快，而填洼總量不變。即填洼損失量主要和下墊面情況有關(guān)，和降水特點(diǎn)關(guān)系不大，每個(gè)泰森多邊形內(nèi)該值相對(duì)固定。

3 實(shí)例分析

本文以海河流域的潘家口水庫以上預(yù)報(bào)區(qū)域進(jìn)行研究，該區(qū)域面積9839km2。潘家口水庫是引灤工程的源頭，為天津、唐山兩市的水源水庫，也是灤河流域控制性防洪工程。

潘家口水庫目前應(yīng)用的洪水預(yù)報(bào)模型為新安江三水源模型，在率定參數(shù)時(shí)，流域分為五塊，各塊的產(chǎn)、匯流詳見表1。

從表1可以看出，在率定參數(shù)時(shí)受資料和方法限制，下墊面無法細(xì)膩刻畫，所以造成各子流域產(chǎn)流參數(shù)基本一致的情況。反映在預(yù)報(bào)成果上，表現(xiàn)為洪水起漲段精度較差，預(yù)報(bào)成果一般要大于實(shí)際過程。尤其對(duì)中、小洪水和久旱后的大洪水其水文預(yù)報(bào)精度影響更大。

表1 流域各塊三水源新安江模型參數(shù)表

為了克服上述影響，根據(jù)預(yù)報(bào)方案泰森多邊形的劃分情況（見圖3）和填洼量計(jì)算方法，計(jì)算各塊填洼量，每個(gè)泰森多變形內(nèi)的填洼損失量見表2。從表2可以看出，對(duì)于修建了大量攔蓄水工程的承德、寬城兩個(gè)站控制的泰森多邊形，其填洼損失量高達(dá)28mm和23mm，而下墊面變化相對(duì)較小的潘家口站控制的區(qū)域，其填洼損失量?jī)H為5mm。

表2 流域各站控制的泰森多邊形填洼損失量（單位：km2、mm）

圖3 泰森多邊形的劃分情況

表3 潘家口水庫預(yù)報(bào)結(jié)果表（單位：m3/s、108mm）

應(yīng)用上述兩種填洼計(jì)算方法，對(duì)比灤河潘家口水庫2011年7.26洪水預(yù)報(bào)成果，如表3所示，從表中可以看出，考慮下墊面損失的預(yù)報(bào)成果較沒有考慮下墊面損失的預(yù)報(bào)成果精度明顯提高。由于三水源模型具有蓄滿產(chǎn)流的性質(zhì)，所以兩種填洼損失量計(jì)算方法對(duì)洪量、洪峰影響不大，但對(duì)其起漲段的過程有一定影響，考慮水流方向的填洼在起漲段和實(shí)際情況擬合的較好。

4 基本結(jié)論

本文基于DEM資料，在不改變傳統(tǒng)預(yù)報(bào)方案的基礎(chǔ)上，提出了一種考慮下墊面變化、提高預(yù)報(bào)精度的方法。同時(shí)利用本文的填挖處理方法，通過對(duì)降雨輸入的修正，有效的解決了降水初期的填洼問題。本文只對(duì)填洼量進(jìn)行了分析處理，下墊面變化對(duì)流域產(chǎn)、匯流的影響以及如何修正還需要進(jìn)一步研究。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.09.013

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1672-2469(2014)09-0039-03

任國(guó)源（1986年—），女，助理工程師。