葉方紅，胡兆榮，王 浩，張建平，孫宏巍

（1.浙江省麗水市水文管理中心，浙江 麗水 323000；2.浙江省水文管理中心，浙江 杭州 310009；3.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002；4.浙江省湖州市環(huán)湖大堤管理所，浙江 湖州 313008）

1 問題的提出

甌江是浙江省第二大河，麗水市松陰溪是甌江主要一級支流，發(fā)源于麗水市遂昌縣垵口鄉(xiāng)北園岙村東面，流經(jīng)遂昌縣、松陽縣、蓮都區(qū)3 個縣（區(qū)），干流全長120.12 km，遂昌縣境內(nèi)長54.14 km，松陽縣境內(nèi)長61.17 km，蓮都區(qū)境內(nèi)長4.81 km，流域面積1 985.02 km2，平均坡降7.96‰[1]。松陰溪水系示意見圖1。

圖1 松陰溪流域水系示意圖

松陰溪主干流未建有大型調(diào)蓄水庫，若松陰溪流域發(fā)生洪水則不可控，嚴(yán)重影響下游蓮都區(qū)防汛形勢，尤其對位于麗水市主城區(qū)的開潭水庫調(diào)度影響甚大。因此做好松陰溪流域洪水預(yù)報(bào)對保護(hù)麗水市城區(qū)及下游防洪安全起到至關(guān)重要的作用，進(jìn)行及時準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào)、科學(xué)合理的調(diào)度運(yùn)用，能有效地減少棄水量，減輕水資源不足的情況。

2 流域特征及災(zāi)情分析

松陰溪流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候。松陰溪流域多年平均降雨量1 648.3 mm，4—10 月降水量占全年的74%，降水年內(nèi)、年際、地域差異比較明顯。松陰溪具有典型的山溪性河流特征，其主要特點(diǎn)如下：

（1）河流縱坡較大，河寬較小，河水流急。流域平均坡降為7.96‰。

（2）洪水暴漲暴落，洪峰水位高、流量大，具有集中快、漲幅大、滯留時間短的特點(diǎn)，易產(chǎn)生洪澇災(zāi)害。由于山溪性河流，河谷下切很深，河谷兩岸地形陡峻，降雨后水量很快匯集于河槽，滲透損失小，地表徑流大，暴雨后很快形成較高的洪峰。因河流縱坡大，蓄水能力低，水量消退快，河道水位變幅大。松陰溪流域靖居口水文站集雨面積1 857.0 km2，1955 年6 月20 日實(shí)測最大洪峰流量達(dá)4 250.00 m3/s，2004 年1 月7 日實(shí)測最小流量僅為0.35 m3/s；1955年6 月20 日實(shí)測最高水位為94.11 m，2012 年10 月21 日實(shí)測最低水位為83.38 m，水位變幅達(dá)10.73 m。

（3）枯水季流量小。由于降水不均和工農(nóng)業(yè)用水量大，河流縱坡大，蓄滲能力低，枯水季節(jié)河流水量小。

松陰溪流域建有成屏一級、成屏二級、謝村源、梧桐源、東塢等5 座中型水庫，集雨面積范圍為50.0～215.0 km2，庫容范圍為1 250 萬～4 790 萬m3。共有東塢、安民、六都源等11 座?。?）型水庫，集雨面積范圍為0.3～48.7 km2，正常庫容范圍為88 萬～440 萬m3。經(jīng)初步估算，松陰溪流域水庫集雨面積450 km2左右。

中華人民共和國成立以來松陰溪流域發(fā)生的較為嚴(yán)重的洪水災(zāi)害9 次，死亡28 人，損壞房屋2 140 間，淹沒農(nóng)田1.27 萬hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8.7 億元，間接經(jīng)濟(jì)損失更加巨大。

3 預(yù)警預(yù)報(bào)方案構(gòu)建

3.1 預(yù)警預(yù)報(bào)方法選擇

松陰溪流域位于我國東部濕潤地區(qū)，雨量充沛，包氣帶缺水量容易被降水滿足，使土壤達(dá)到田間持水量而產(chǎn)流。松陰溪多年平均流量56.00 m3/s，多年平均徑流深為951 mm，多年平均徑流系數(shù)為0.58。次洪的徑流系數(shù)更高，一般達(dá)0.65 以上。由于地面徑流和壤中流在匯流速度上的差異，從實(shí)測流量過程線上呈現(xiàn)漲洪陡于落洪的偏態(tài)型，說明有較豐富的壤中流和地下水，降雨徑流關(guān)系具有蓄滿產(chǎn)流的特點(diǎn)。本方案產(chǎn)流采用降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法，匯流采用單位線法。

3.2 方案構(gòu)建

靖居口水文站設(shè)于1953 年，有連續(xù)完整的水位、流量、蒸發(fā)、懸移質(zhì)輸沙率等水文觀測資料。流域內(nèi)靖居口水文站面上配套雨量站15 個，汛期 4—11 月全部采用自記儀器記錄。此次分析建立降雨徑流預(yù)報(bào)方案，采用1982—1985年的靖居口站逐日平均流量資料和洪水要素摘錄。挑選分布大致均勻的10 個代表雨量站進(jìn)行面雨量計(jì)算。采用靖居口水文站E601 蒸發(fā)皿觀測資料推求流域蒸散發(fā)能力EM 和蒸散發(fā)量。

在現(xiàn)代水文預(yù)報(bào)中，雖然大量使用流域水文模型，例如新安江模型、薩克門托模型、水箱模型和陜北模型等進(jìn)行流域降雨徑流預(yù)報(bào)。但是，在松陰溪流域，在長期工作實(shí)踐中已建立一套適合于當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的經(jīng)驗(yàn)性降雨徑流預(yù)報(bào)方案。

降雨徑流經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲線有各種形式，一般有產(chǎn)流量R=f（次雨量P，前期影響雨量Pa，季節(jié)，溫度）[2]、R=f（前期影響雨量Pa，洪水起漲流量Q0）和考慮雨強(qiáng)的超滲式關(guān)系曲線形式。本方案采用國內(nèi)普遍使用的降雨量、前期影響雨量、產(chǎn)流量三者的關(guān)系，即P—Pa—R相關(guān)圖。

Pa也稱前期影響雨量，是反映土壤濕度的參數(shù)。其計(jì)算公式為：

式中：Pa，t為t日08:00 的前期降雨指數(shù)；n為影響本次徑流的前期降雨天數(shù)，常取15 d 左右；k 為常系數(shù)，一般可取0.85 左右。

為便于計(jì)算，將公式（1）簡化為：

對無雨日：

制作三變數(shù)相關(guān)圖，即按變數(shù)值（Pi，Ri）的相關(guān)點(diǎn)繪于坐標(biāo)軸上，標(biāo)明各點(diǎn)的參變量Pa值，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的等值線簇即可（見圖2）。

圖2 靖居口水文站降雨徑流關(guān)系圖

3.3 預(yù)報(bào)模型

松陰溪靖居口水文站洪水預(yù)報(bào)方案主要包括流域平均降水量計(jì)算、流域初始土壤含水率W0計(jì)算、徑流量查算、雨型判別和流域匯流計(jì)算等，自靖居口預(yù)報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行以來，為麗水市城區(qū)開潭水庫防洪調(diào)度發(fā)揮重要作用。

松陰溪流域洪水預(yù)報(bào)采用新安江三水源蓄滿產(chǎn)流模型，1973 年由河海大學(xué)趙人俊教授等完成的國內(nèi)第一個完整的流域水文模型。新安江模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流計(jì)算、分水源計(jì)算和匯流計(jì)算4 個層次結(jié)構(gòu)，考慮降水和流域下墊面不均勻的影響。

新安江模型的參數(shù)大多具有明確的物理意義，但由于缺乏實(shí)測降雨徑流和試驗(yàn)過程，在實(shí)際應(yīng)用中往往依據(jù)出口斷面的實(shí)測流量過程，用系統(tǒng)識別的方法推求。根據(jù)產(chǎn)流模型和蒸發(fā)模型建立程序,在計(jì)算機(jī)上優(yōu)選參數(shù)，優(yōu)選的單位線UH 值見表1。

表1 單位線UH 值表

3.4 關(guān)鍵技術(shù)原理及應(yīng)用

洪水預(yù)報(bào)的基本任務(wù)是根據(jù)采集的實(shí)時雨量、水位、蒸發(fā)量等，對未來可能發(fā)生的洪峰水位、洪峰流量及洪峰出現(xiàn)時間等內(nèi)容的預(yù)測和分析。實(shí)時洪水預(yù)報(bào)誤差修正指對實(shí)際洪水有影響的誤差因素進(jìn)行校正，彌補(bǔ)水文模型的不足。實(shí)時修正技術(shù)按修正內(nèi)容劃分，可分為模型誤差、模型參數(shù)、模型輸入、模型狀態(tài)和綜合等5 類。

3.5 洪水預(yù)報(bào)實(shí)時修正技術(shù)改進(jìn)的關(guān)鍵

實(shí)時洪水預(yù)報(bào)修正技術(shù)的關(guān)鍵是修正信息利用量的擴(kuò)大和技術(shù)的改進(jìn)?，F(xiàn)有誤差修正方法存在諸多問題，如物理概念不清晰、損失預(yù)見期和使用條件限制等。河海大學(xué)司偉、包為民教授等提出一種基于動態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)曲線洪水預(yù)報(bào)誤差修正新方法，使用最小二乘估計(jì)原理，對產(chǎn)流量進(jìn)行修正，用修正后的產(chǎn)流量重新計(jì)算出流過程。該修正方法用王家壩流域進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明預(yù)報(bào)精度比傳統(tǒng)二階自回歸模型明顯提高。松陰溪流域洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用動態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)曲線修正技術(shù)對實(shí)時洪水預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行修正，以提高洪水預(yù)報(bào)精度。

3.6 預(yù)報(bào)誤差分析和提高預(yù)報(bào)精度方法

用1986—1987 年的實(shí)測資料作年徑流深校核計(jì)算，成果見表2。

在1986—1987 年中挑選2 次洪水進(jìn)行洪峰流量計(jì)算預(yù)報(bào)，成果見表3。

表2 校核年徑流深精度統(tǒng)計(jì)表

表3 預(yù)報(bào)洪峰流量誤差統(tǒng)計(jì)表

從預(yù)報(bào)洪峰流量成果得出，吻合基本良好，峰量基本相符，洪峰出現(xiàn)時間與“86051”次洪水相符，比“87041”次洪水則提早1 h，洪峰流量預(yù)報(bào)預(yù)見期為 6 h。

松陰溪洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)誤差分析和提高預(yù)報(bào)精度方法：

（1）雨量站的代表性問題。本方案采用10 個雨量站（每站平均控制面積230 km2），加權(quán)平均得出面平均雨量，雨量站代表性直接影響計(jì)算精度。以“82081” 洪水為例，將15 站平均雨量59.0 mm 代入計(jì)算，誤差明顯減小，符合評定標(biāo)準(zhǔn)?！?3081”洪水15 站計(jì)算面雨量為103.6 mm，代入計(jì)算誤差減少到-0.3 mm?！?5051”洪水15 站計(jì)算面雨量為97.5 mm，代入計(jì)算誤差減少到-2.8 mm，符合評定標(biāo)準(zhǔn)。

（2）設(shè)備問題。水雨情遙測設(shè)備在運(yùn)行中常會遇到各種故障，對洪水預(yù)報(bào)產(chǎn)生影響。對出現(xiàn)故障的雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)及時進(jìn)行插補(bǔ)或用鄰近站點(diǎn)替換，以免因?yàn)橛炅繑?shù)據(jù)不準(zhǔn)確影響預(yù)報(bào)精度。

（3）水庫攔蓄影響。中小型水利工程攔蓄對洪水預(yù)報(bào)影響大，松陰溪靖居口水文站洪水預(yù)報(bào)應(yīng)考慮上游成屏一級、成屏二級、東塢、安民等中小型水庫（集雨面積450.0 km2左右）和其他水利設(shè)施對次洪徑流計(jì)算的影響。麗水市已建立甌江干流洪水預(yù)報(bào)聯(lián)動工作機(jī)制，當(dāng)啟動應(yīng)急響應(yīng)時，上游相關(guān)水庫單位每3 h 報(bào)送總出庫流量，確保預(yù)報(bào)人員及時掌握上游水庫出庫流量的情況，提高預(yù)報(bào)精度。

（4）退水曲線的影響。本方案采用綜合退水曲線，由各次洪水的點(diǎn)據(jù)平均而定，用綜合退水曲線分割次洪存在一定誤差，尤其不同季節(jié)的洪水退水規(guī)律有較大差異?，F(xiàn)采用動態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)曲線修正技術(shù)對退水曲線進(jìn)行修正，以提高洪水預(yù)報(bào)精度。

（5）簡化水文規(guī)律影響。如產(chǎn)流機(jī)理簡化為蓄滿產(chǎn)流，不考慮農(nóng)業(yè)活動影響等，都屬于模型結(jié)構(gòu)誤差。需不斷根據(jù)實(shí)際情況對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行率定，修正方案，以提升預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)精度。

4 松陰溪流域洪水預(yù)報(bào)調(diào)度應(yīng)用與效益分析

松陰溪流域洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)自運(yùn)行以來，為甌江干流防汛調(diào)度發(fā)揮關(guān)鍵作用。特別是在近幾年的梅雨洪水如2014 年“8·20”洪水，以及2009 年臺風(fēng)“莫拉克”、2013 年臺風(fēng)“菲特”、2015 年臺風(fēng)“蘇迪羅”等影響期間體現(xiàn)其預(yù)報(bào)及時、精度高的特點(diǎn)。

4.1 洪水預(yù)報(bào)調(diào)度應(yīng)用

2014 年“8·20”洪水期間，松陰溪流域靖居口水文站出現(xiàn)20 a 一遇的洪水，洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)在水庫預(yù)報(bào)調(diào)度中發(fā)揮重要的作用。受持續(xù)強(qiáng)降雨影響，甌江干支流龍泉溪、松陰溪、好溪、浮云溪、宣平溪、小安溪等流域水位全線暴漲。全市主要控制站水位出現(xiàn)超警戒或保證水位。松陰溪流域靖居口水文站8 月20 日08:10 出現(xiàn)最大洪峰水位93.06 m，超保證水位（90.20 m）2.86 m，相應(yīng)洪峰流量3 650 m3/s，水位、流量均列1938 年建站以來第2 位（歷史最高水位94.11 m，最大流量4 250 m3/s，1955 年6 月）。洪水期間，先后多次根據(jù)靖居口水文站實(shí)時水雨情對洪水實(shí)施滾動預(yù)報(bào)，并依據(jù)調(diào)度原則，提出多種方案進(jìn)行比較分析，為水庫科學(xué)調(diào)度決策提供可靠的依據(jù)。表4 為2014年“8·20”洪水期間靖居口水文站洪水預(yù)報(bào)成果。

表4 2014 年“8·20”洪水期間靖居口洪水預(yù)報(bào)成果表

麗水市防汛抗旱指揮部根據(jù)麗水市水文站對松陰溪流域靖居口斷面的預(yù)報(bào)成果對大溪主干流緊水灘水庫進(jìn)行科學(xué)調(diào)度，2014 年8 月20 日緊水灘水庫入庫洪水5 138 m3/s，下泄流量363 m3/s，最大削減洪峰4 775 m3/s，削峰率達(dá)到93%，錯峰達(dá)6 h。由于緊水灘水庫的蓄洪削峰，錯峰調(diào)度作用，使麗水主城區(qū)小水門處洪峰流量降低到20 a 一遇，水位由54.17 m 降低至52.79 m，同時使開潭水庫洪峰流量降低至50 a 一遇，水位由51.60 m 降低至49.63 m。

4.2 洪水預(yù)報(bào)效益分析

2014 年“8·20”洪水時間長，甌江流域的調(diào)度重點(diǎn)是攔蓄洪水，兼顧上下游，錯峰調(diào)度。通過科學(xué)合理預(yù)報(bào)調(diào)度，發(fā)揮巨大的防洪效益，同時發(fā)電和供水效益顯著。

自投入運(yùn)行以來，利用該方案共完成洪水預(yù)報(bào)80 余次，及時準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)最高洪峰、峰現(xiàn)時間及洪水總量。根據(jù)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度方案采取“汛期短歷時超蓄、洪前預(yù)蓄、洪末攔尾”等實(shí)時調(diào)度方式，取得顯著的防洪效益，對緊水灘和開潭水庫的防洪減災(zāi)及水資源利用有著十分重要的作用。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)界面簡潔明了、易操作，可直接生成流域過程降雨量，自動計(jì)算土壤初始含水率；可根據(jù)實(shí)時水雨情作洪水預(yù)報(bào)，自動生成預(yù)測洪水過程，包括洪峰水位、洪峰流量及洪峰出現(xiàn)時間等。

（2）洪水調(diào)度系統(tǒng)可快速完成實(shí)時洪水預(yù)報(bào)、修正預(yù)報(bào)、假擬降雨洪水預(yù)報(bào)和多個洪水調(diào)度方案，在防洪搶險的緊急時刻能夠?yàn)榉篮檎{(diào)度決策贏得寶貴的時間。以圖表形式將每個調(diào)度方案的預(yù)報(bào)信息、調(diào)度結(jié)果提供給決策者，各種信息一目了然，為更加科學(xué)地進(jìn)行水庫防洪調(diào)度提供可信的決策依據(jù)和可靠的技術(shù)保障。

（3）對水庫或流域系統(tǒng)，通過洪水預(yù)報(bào)為防洪科學(xué)調(diào)度提供依據(jù)，可以減少洪災(zāi)損失，提高水資源利用率，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。通過科學(xué)調(diào)度，能有效增加全流域的防洪效益，減少災(zāi)害損失，意義重大。

5 結(jié) 語

松陰溪流域洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)首次引入模型參數(shù)函數(shù)曲面的線性化率定方法，解決新安江模型參數(shù)的自動率定，提高預(yù)報(bào)精度，預(yù)報(bào)技術(shù)先進(jìn)、操作簡單，并在實(shí)際流域進(jìn)行應(yīng)用，證明預(yù)報(bào)模型結(jié)構(gòu)的合理性、誤差修正技術(shù)的有效性，并獲得客觀的防洪社會效益和水資源利用等直接經(jīng)濟(jì)效益。但在實(shí)際預(yù)報(bào)調(diào)度過程中，影響因素眾多，建議如下：

（1）原始資料的可靠性和精度至關(guān)重要。水量平衡計(jì)算中降水、蒸發(fā)、徑流過程若存在較大誤差，則會得出虛假的擬合結(jié)果，所以對原始資料分析和考證十分必要。

（2）亟需解決上下游影響防洪調(diào)度的因素。如庫區(qū)移民高程以下的應(yīng)遷但未遷居民，下游防洪斷面的防洪標(biāo)準(zhǔn)有待提高等。不斷加強(qiáng)全流域水資源的統(tǒng)一調(diào)度管理，今后需不斷優(yōu)化松陰溪流域洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)，做到上下游兼顧，科學(xué)調(diào)度。

（3）流域水文規(guī)律的變化受氣候條件和下墊面條件的影響，隨著水文資料不斷積累，模型參數(shù)需要不斷修正。更好地改進(jìn)蓄滿產(chǎn)流模型在松陰溪流域洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，不斷提高洪水預(yù)報(bào)水平，是今后進(jìn)一步研究的方向。