黃定謀

（百色水文中心，廣西 百色 533000）

1 概況

百色市位于廣西西部，地處云貴高原東緣，區(qū)域內(nèi)山岳連綿，河流密布，從多河流原出高山峽谷，河床深切，灘多水急，落差大，是典型的中小流域地區(qū)。2012 年以后百色水文中心在轄區(qū)內(nèi)新設(shè)立了70 個(gè)水文（位）站，用于監(jiān)測(cè)中小流域水情變化情況。通過(guò)水文（位）站實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)百色市每年中小流域發(fā)生較大洪水有20多場(chǎng)，其中接近或者超過(guò)警戒水位的有5 場(chǎng)。建立中小流域洪水預(yù)警預(yù)報(bào)方法，是防洪減災(zāi)指揮決策提供參考依據(jù)，提前轉(zhuǎn)移人員和財(cái)產(chǎn)，最大程度避免人員傷亡，減輕災(zāi)害損失。

2 中小流域洪水預(yù)警預(yù)報(bào)方法

中小流域洪水具有突發(fā)性強(qiáng)、產(chǎn)流快、匯流時(shí)間短、暴漲暴落等特點(diǎn)，因此必須對(duì)中小流域洪水及時(shí)作出預(yù)警預(yù)報(bào)，才能為當(dāng)?shù)胤篮闇p災(zāi)決策提供及時(shí)的參考依據(jù)。中小流域洪水預(yù)警預(yù)報(bào)主要是通過(guò)實(shí)測(cè)水位，實(shí)測(cè)降雨量和預(yù)報(bào)未來(lái)降雨量，利用預(yù)警預(yù)報(bào)方法分析出洪峰大小、發(fā)生時(shí)間以及是否超過(guò)河流設(shè)定的警戒水位，并及時(shí)將預(yù)警信息向社會(huì)公布。中小流域預(yù)警預(yù)報(bào)的方法有很多，比如集總式水文模型、分布式水文模型等等。百色市中小河流預(yù)警預(yù)報(bào)主要采用多元回歸分析法、漲率分析法、新安江模型。通過(guò)多種方法分析和對(duì)比建立的洪水預(yù)警預(yù)報(bào)方案。可有效延長(zhǎng)洪水預(yù)警預(yù)報(bào)預(yù)見期和提高預(yù)警預(yù)報(bào)精度。

（1）多元回歸分析法。自然界中的許多變量在變化過(guò)程中相互之間存在著一定的聯(lián)系。通過(guò)對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理來(lái)研究自變量和因變量之間的關(guān)系，以確定由該兩個(gè)變量所決定的曲線和最佳擬合參數(shù)。由一組隨機(jī)變量來(lái)估計(jì)或者預(yù)測(cè)另外一個(gè)隨機(jī)變量的期望值時(shí)建立的模型及所做的統(tǒng)計(jì)分析，叫回歸分析。研究發(fā)現(xiàn)影響中小流域洪水主要因素是次洪面降雨量，降雨歷時(shí)、起漲水位和同時(shí)水位等要素，通過(guò)對(duì)次洪面降雨量、降雨歷時(shí)、起漲水位、同時(shí)水位與洪峰水位等多因素分析，建立Z峰～（P面、T歷、Z起、Z同）多元回歸方程。目前百色水文中心在轄區(qū)內(nèi)70 多個(gè)中小河流水文（位）站全部建有回歸方程，在建方案過(guò)程中如果采用的樣本比較少、巖溶地區(qū)和受水利工程影響時(shí)，方案率定的誤差大，就需要對(duì)方案的合理性進(jìn)行分析。分析水位是否隨著雨量增大而增大；相同的雨量，起漲水位低，洪峰水位是否低等問(wèn)題。

（2）漲率分析法。假設(shè)洪峰水位隨時(shí)間變化，呈二次函數(shù)關(guān)系，通過(guò)分析研究洪水過(guò)程解析函數(shù)，探討其微分求導(dǎo)后的數(shù)量規(guī)律和物理含義，構(gòu)建洪水預(yù)警預(yù)報(bào)監(jiān)控應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，即洪水水位過(guò)程線可概化表示為拋物線（二次函數(shù)）型的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其求導(dǎo)之后即可得線性的漲率關(guān)系。因此實(shí)際的洪水過(guò)程線存在如下特征：水位起漲—漲率加速階段（斜率為正）—加速度為0，漲率出現(xiàn)極值（拐點(diǎn)）—漲率減速階段（斜率為負(fù)）—漲率為0（洪峰）。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)分析研究流域主雨峰與最大漲率、洪峰出現(xiàn)時(shí)間之間的特性來(lái)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。

（3）新安江模型。利用水利部水文局開發(fā)的中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)（NFFS）用于流域水文模型方案的構(gòu)建，該系統(tǒng)已地理信息系統(tǒng)為平臺(tái)，建立了常用的，模塊化的預(yù)報(bào)模型和方法庫(kù)，可以進(jìn)行多模型、多方案對(duì)比分析。百色中小河流均采用新安江模型建立方案，但新安江模型未專門考慮地表坑洼、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和水利工程引起的截流，而百色中小河流流域內(nèi)都有一些水田、塘、壩和中小型水電站，在這些影響較大的流域，不考慮地表坑洼截流會(huì)引起很大的誤差。特別是巖溶地區(qū)，受其影響，會(huì)引起較大的誤差。

3 實(shí)例應(yīng)用

百色市田林縣者苗水文站位于田林縣者苗鄉(xiāng)平封村，建于2015年，流域面積413 km2。流域境內(nèi)有者苗、六恒、者化等11 個(gè)雨量站。警戒水位316.50 m。以2020 年6 月5 日洪水情況為例，該次洪水流域內(nèi)降雨情況見表1，6 月4 日21：00 起漲水位為321.49 m，23：00水位為312.57 m，6月5日02：30 出現(xiàn)316.94 m 的洪峰水位，超警（警戒水位316.50 m）0.44 m。

表1 2020年6月4日～6月5日者苗水文站流域內(nèi)降雨統(tǒng)計(jì)表mm

3.1 多元回歸分析法

（1）方案制作。利用電Excel內(nèi)部函數(shù)linest的回歸分析功能可以簡(jiǎn)化大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算和誤差分析過(guò)程，又可以利用Excel 強(qiáng)大的圖表功能繪制曲線。收集者苗水文站2015—2019 年25 場(chǎng)洪水，未出現(xiàn)超警洪水。通過(guò)對(duì)次洪面降雨量、降雨歷時(shí)、起漲水位、同時(shí)水位與洪峰水位等多因素分析，建立回歸方程為：Z峰=26.323+0.052×P-0.19 582×T+0.504×Z起+0.414×Z同（其中Z峰為洪峰水位；P為3 h最大面平均雨量；T為從起始降雨量至最大3 h降雨止（小時(shí)雨量小于2 mm 累計(jì)雨量）；Z起為洪峰起漲水位；Z同為出現(xiàn)最大3 h降雨量止時(shí)的水位）。該方案計(jì)算洪峰水位誤差在0.5 m 以內(nèi)的有18 場(chǎng)，洪峰水位誤差在0.5 m 以上的有7 場(chǎng)，方案合格率為72.0%。

（2）方案應(yīng)用。經(jīng)查詢及計(jì)算6 月4 日21：00者苗水文站面平均雨量為12.2 mm；22：00面平均降雨量為39.3 mm；23：00 面平均降雨量為15.4 mm。3 h 累計(jì)最大面平均雨量為66.8 mm，22：00 洪峰起漲水位為312.49 m，3 h累計(jì)最大面平均雨量出現(xiàn)的水位為312.57 m，代入建立好的回歸方程，計(jì)算得預(yù)測(cè)洪峰水位為316.10 m，接近警戒水位。

3.2 漲率分析法

2020年6月5日01：00水位為313.73 m，設(shè)為出現(xiàn)最大漲率拐點(diǎn)，根據(jù)者苗水文站洪水特性統(tǒng)計(jì)分析，最大漲率至峰現(xiàn)時(shí)間采用1～4 h，在洪峰水位計(jì)算機(jī)洪峰預(yù)報(bào)中的洪峰時(shí)間假定為5 日03：00，漲率從01：00的0.85 m/h降低為0，每小時(shí)水位的漲率衰減為0.28 m/h，水位仍上漲0.9 m 左右，計(jì)算出洪峰水位314.63 m左右，離警戒水位較遠(yuǎn)。6月5日02：00水位信息更新后為315.54 m，再次滾動(dòng)分析，水位漲率從02：00 的1.81 m/h 降低為0，按4 h 到峰進(jìn)行分析，每小時(shí)的水位漲率衰減為0.45 m/h，水位仍上漲1.8 m 左右，預(yù)測(cè)洪峰水位約為317.30 m，超警戒水位。

3.3 新安江模型

（1）方案制作與率定。采用中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)（NFFS）建立者苗水文站預(yù)報(bào)方案有1個(gè)方案輸入，區(qū)間采用蓄滿產(chǎn)流模型（SMS_3）和滯后演算模型（LAG_3）進(jìn)行河道產(chǎn)匯流計(jì)算，斷面率定參數(shù)采用2018—2019年洪水摘錄資料，首先固定模型其他參數(shù)，通過(guò)水量平衡，率定出流域蒸散發(fā)折算系數(shù)K值，最后使用率定的流域蒸散發(fā)折算系數(shù)K值，率定模型其他參數(shù)，獲得總體過(guò)程模擬確定系數(shù)0.861，達(dá)到乙級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。率定成果圖見圖1。

圖1 者面水文站參數(shù)率定成果圖

（2）方案應(yīng)用。根據(jù)氣象預(yù)報(bào)，未來(lái)2天，我市北部將有一次強(qiáng)降雨過(guò)程，通過(guò)獲取預(yù)見期降雨量，利用率定好的洪水預(yù)報(bào)方案，6月4日20：00，預(yù)見者苗水文站6 月5 日02：00 出現(xiàn)最大洪峰流量614 m3/s，通過(guò)者苗水文站的水位流量關(guān)系反查流量對(duì)應(yīng)的洪峰水位為316.46 m。

3.4 預(yù)警預(yù)報(bào)結(jié)果比較

3 種預(yù)警預(yù)測(cè)方法計(jì)算洪峰水位均接近警戒水位（見表2）。由表2 可知，多元回歸分析法結(jié)果誤差最大，漲率分析法次之，新安江模型結(jié)果誤差。采用多元回歸分析法進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，洪峰水位和洪峰時(shí)間誤差比較大，導(dǎo)致計(jì)算洪峰水位偏小的原因是精度受方案采用樣本數(shù)少和方案代表性不好，同時(shí)未考慮強(qiáng)降雨區(qū)域與洪峰出現(xiàn)時(shí)間的關(guān)系；采用漲率分析法計(jì)算洪峰出現(xiàn)時(shí)間誤差比較大，斷面的預(yù)見期主要由主雨峰的空間分布決定，因此需對(duì)分析斷面的匯流時(shí)間進(jìn)行分析，根據(jù)降雨在流域上分布，有針對(duì)性地采用不同的時(shí)段長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，可更有效提高分析研判成果的精度；采用新安江模型進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)前提是方案參數(shù)率定的精度滿足規(guī)范要求，預(yù)見期的雨量必須要精準(zhǔn)。

表2 3種預(yù)警預(yù)報(bào)方法結(jié)果比較

4 結(jié)語(yǔ)

多元回歸分析法、漲率分析法和中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)（NFFS）新安江模型均能用于中小流域預(yù)警預(yù)報(bào)。要提高預(yù)警預(yù)報(bào)精度，采用多元回歸分析法必須多收集樣本資料和有代表性的方案；采用漲率分析法也需要多收集樣本資料，根據(jù)降雨在流域上分布，有針對(duì)性地采用不同的時(shí)段長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，提高分析研判成果的精度；采用中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)（NFFS）新安江模型法在方案構(gòu)建、率定、檢驗(yàn)時(shí)，資料數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確，只有方案達(dá)到一定的精度時(shí)，通過(guò)獲得降雨數(shù)值預(yù)報(bào)，能有效延長(zhǎng)洪水預(yù)警預(yù)報(bào)的預(yù)見期和提高預(yù)報(bào)精度。