基于动态临界雨量的山洪预警方法研究与应用

书书书叶金印，李致家，常露．２０１４．基于动态临界雨量的山洪预警方法研究与应用．气象，４０（１）：１０１１０７．基于动态临界雨量的山洪预警方法研究与应用叶金印１，２　李致家２　常　露２１淮河流域气象中心，蚌埠２３３０４０２河海大学水文水资源学院，南京２１００９８提　要：以新安江模型为基础，提出了考虑土壤含水量饱和度的动态临界雨量山洪预警方法。该方法采用新安江模型计算流域的土壤含水量饱和度，根据土壤含水量饱和度以及山洪发生前６、１２和２４ｈ等３个时间尺度的最大降雨量，应用基于最小均方差准则的ＷＨ（ＷｉｄｒｏｗＨｏｆｆ）算法分别建立３个时间尺度的山洪预警动态临界雨量判别函数。利用该方法，结合淠河流域２００３—２００９年地面雨量站降雨资料以及１７次典型洪水过程资料，率定了新安江模型参数，并用１０次历史个例对所建立的３个时间尺度的山洪预警动态临界雨量判别函数进行了应用检验，山洪预警合格率超过了７０％，表明该方法用于山洪预警是可行的。关键词：临界雨量，山洪预警，新安江模型，淠河流域中图分类号：Ｐ４２９，Ｐ３３３　　　　　文献标志码：Ａ　　　　　犱狅犻：１０．７５１９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００００５２６．２０１４．０１．０１２ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＦｌａｓｈＦｌｏｏｄＥａｒｌｙＷａｒｎｉｎｇＭｅｔｈｏｄＢａｓｅｄｏｎＤｙｎａｍｉｃＣｒｉｔｉｃａｌＰｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎＹＥＪｉｎｙｉｎ１，２　ＬＩＺｈｉｊｉａ２　ＣＨＡＮＧＬｕ２１ＨｕａｉｈｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＣｅｎｔｅｒｏｆＡｎｈｕｉ，Ｂｅｎｇｂｕ２３３０４０２ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＨｙｄｒｏｌｏｇｙａｎｄＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，ＨｏｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９８犃犫狊狋狉犪犮狋：Ａｆｌａｓｈｆｌｏｏｄｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｄｙｎａｍｉｃｃｒｉｔｉｃａｌｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＴｈｅｍｅｔｈｏｄｃａｌｃｕｌａｔｅｓｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｓａｔｕｒａｔｉｏｎｕｓｉｎｇｔｈｅＸｉｎ’ａｎｊｉａｎｇｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｎｓｅｔｓｕｐｆｏｒｅｗａｒｎｉｎｇｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｎｔｆｕｎｃｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｒｅｅｔｉｍｅｓｃａｌｅｓ，６ｈ，１２ｈａｎｄ２４ｈ，ｕｓｉｎｇＷｉｄｒｏｗＨｏｆｆａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆｍｉｎｉｍｕｍｍｅａｎｓｑｕａｒｅｅｒｒｏｒｃｒｉｔｅｒｉａ，ａｎｄｂａｓｅｄｏｎｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｓａｔｕｒａｔｉｏｎａｎｄｍａｘｉｍｕｍ６ｈ，１２ｈａｎｄ２４ｈｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｂｅｆｏｒｅｅａｃｈｆｌｏｏｄｅｖｅｎｔ．Ｗｉｔｈｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ，ｔｏｇｅｔｈｅｒｗｉｔｈｒａｉｎｆａｌｌｄａｔａｏｆｔｈｅ１７ｆｌｏｏｄｅｖｅｎｔｓｏｃｃｕｒｒｉｎｇｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｅｒｉｏｄｆｒｏｍ２００３ｔｏ２００９，ｗｉｃｈａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄａｔｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｓｔａｔｉｏｎｓｉｎＰｉｈｅＢａｓｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｔｈｅｍｏｄｅｌａｒｅｃａｌｉｂｒａｔｅｄａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓａｐｐｌｉｅｄｉｎ１０ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌｆｌａｓｈｆｌｏｏｄｅｖｅｎｔｓｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｔｈｒｅｅｔｉｍｅｓｃａｌｅｆｏｒｅｗａｒｎｉｎｇｄｉｓｃｒｉｍｉｎｅｎｔｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｆｏｒｅｃａｓｔｒａｔｅｉｓｏｖｅｒ７０％，ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｒｅｌｉａｂｌｅａｎｄｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｆｌａｓｈｆｌｏｏｄｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇａｎｄｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｃｒｉｔｉｃａｌｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ，ｆｌａｓｈｆｌｏｏｄｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇ，Ｘｉｎ’ａｎｊｉａｎｇｍｏｄｅｌ，ＰｉｈｅＢａｓｉｎ引　言山洪是山区中小流域由强降雨引起的突发性洪水（ＷＭＯ，１９８１；１９９４），由于山高坡陡、河流源短流急，在暴雨天气下极易发生山洪灾害。近些年，极端天气事件增多，常发生突发性暴雨，山洪灾害已成为造成人民生命财产损失的主要灾种，严重制约着广大山丘区经济社会的发展，中小河流山洪的预报和预警是防洪减灾工作中突出的难点（国家防汛抗旱第４０卷第１期２０１４年１月　　　　　　　　　　气　　　象ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩＣＡＬＭＯＮＴＨＬＹ　　　　　　　　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ　２０１４国家自然科学基金项目（４１１０１０１７）和公益性行业（气象）科研专项（ＧＹＨＹ２０１００６０３７）共同资助２０１２年１２月２５日收稿；　２０１３年７月３１日收修定稿第一作者：叶金印，主要从事水文气象研究工作．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]总指挥部办公室等，１９９４）。由于山洪具有流速快、预见期短等特点以及山洪资料短缺原因，山洪与常规洪水的预报预警思路有所不同，主要侧重在对山洪的预警方面，以避免或减少山洪灾害的损失。山洪预警技术一般主要是在对雨量、洪水资料进行统计分析的基础上，研究暴雨山洪发生的规律，确定山洪临界雨量。根据一个流域防洪标准确定的警戒水位可以推算出警戒流量，当某时间尺度内降雨达到或超过一定量级时，就会达到警戒流量，并可能激发山洪灾害，对应时间尺度内的降雨量即为临界警戒雨量（临界雨量）。因此，临界雨量对于山洪预警具有重要意义。目前，国内关于中小河流山洪预警临界雨量指标的研究主要集中在临界雨量分析计算方法上。其中，陈桂亚等（２００５）采用国家防汛办公室建议的“统计归纳法”对区域临界雨量进行了专门研究；张玉龙等（２００７）用内插法推求无资料地区的临界雨量，并进行了山洪预警试验；叶勇等（２００８）、樊建勇等（２０１２）对流量反推法估算山洪临界雨量作了有益的探索；张世才等（２００７）对几种山洪预警方法进行了比较分析，认为产流分析法确定临界雨量较为合理。曲晓波等（２０１０）、张亚萍等（２０１３）从气象成因角度对典型山洪过程进行了分析。彭涛等（２０１０）、崔春光等（２０１０）利用定量降水预报和雷达定量降水估算与水文模型相耦合，进行了中小河流洪水预报试验。上述关于山洪预警临界雨量方法的研究成果，为建立中小河流山洪预警指标提供了一种行之有效的方法，但这些研究中所提及的山洪预警临界雨量，在严格意义上均属于静态临界雨量，即没有考虑山洪发生前的流域土壤含水量饱和度；而山洪的流量大小除了与累积降雨量和降雨强度有关外，还与流域土壤含水量饱和度密切相关。当土壤较干（湿）时，降水下渗大（小），产生地表径流则小（大）。因此，在确定山洪临界雨量指标时，应该考虑流域的土壤含水量饱和度，给出不同初始土壤含水量饱和度条件下的临界雨量值，即动态临界雨量方法。国内外的相关研究表明，动态临界雨量方法相对于静态临界雨量方法效果更优。美国水文研究中心研制的ＦｌａｓｈＦｌｏｏｄＧｕｉｄａｎｃｅ（ＦＦＧ）系统（Ｃａｒｐｅｎｔｅｒａｅｔａｌ，１９９９；Ｇｅｏｒｇａｋａｋｏｓｅｔａｌ，２００６），所采用的就是考虑土壤初始含水量的动态临界雨量方法（Ｍａｒｉｎａｅｔａｌ，２００８）；国内刘志雨等（２０１０）分析了国内外山洪预警预报技术的最新进展，提出了以分布式水文模型为基础，以动态临界雨量为指标的山洪预警预报方法，并在江西遂川江流域进行了应用。为探索以动态临界雨量为指标的山洪预警预报方法，选取山洪易发的淠河流域上游作为研究区域，以新安江水文模型（赵人俊，１９８４）为基础，利用地面雨量站降雨资料以及水文控制站流量资料，提出了一种基于动态临界雨量的山洪预警方法，并应用于淠河流域的山洪预警。１　流域概况和资料本文研究流域为淠河流域横排头水文站以上流域（以下简称横排头流域）。淠河是淮河右岸的主要支流之一，发源于大别山北麓，全长２６０ｋｍ，流域面积６０００ｋｍ２。其中，山区占７０．４％，丘陵区占２３．２％，平原区占６．４％。流域内总人口１６７万，耕地面积９．２×１０４ｋｍ２。淠河流域年降水量为８００～１８００ｍｍ，强降雨在空间上多发生在上游山区，时间上多集中于６—９月。其上游（横排头水文站以上）为山地，而中下游地势比较低平，山洪灾害频繁发生，严重影响当地的经济社会发展和居民生命财产安全。横排头流域共有佛子岭、响洪甸、诸佛庵、与儿街、横排头等５个雨量站以及横排头水文站。横排头水文站以上集水面积４３７０ｋｍ２，河流水系以及雨量站、水文站分布如图１所示，响洪甸站上游区域为响洪甸水库集水面积，佛子岭站上游区域为佛子岭水库集水面积，两部分面积之和为３２４０ｋｍ２，两水库与横排头水文站之间的集水区（简称区间流域）面积为１１３０ｋｍ２。本研究以区间流域为研究区域，以图１　淠河横排头流域水系以及雨量站、水文站分布图Ｆｉｇ．１　ＤｒａｉｎａｇｅｎｅｔｗｏｒｋｏｆｔｈｅＨｅｎｇｐａｉｔｏｕｃａｔｃｈｍｅｎｔｉｎｔｈｅＰｉｈｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎａｎｄｌｏｃａｔｉｏｎｓｏｆｒａｉｎｇａｕｇｅａｎｄｓｔｒｅａｍｆｌｏｗｓｔａｔｉｏｎｓ２０１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　气　　象　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第４０卷　两座大型水库的来水作为水库以上区域的产汇流流量。　　所用资料为２００３—２００９年横排头流域内５个雨量站降雨观测资料和横排头水文站流量观测资料，以及佛子岭和响洪甸两座水库的放水流量资料。选取了２００３—２００９年的１７场具有代表性的典型洪水资料进行动态临界雨量分析计算，各场洪水特征值如表１所列。表１　横排头站历史洪水特征值犜犪犫犾犲１　犆犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狏犪犾狌犲狊狅犳犺犻狊狋狅狉犻犮犪犾犳犾狅狅犱狊犻狀犎犲狀犵狆犪犻狋狅狌犅犪狊犻狀洪水序号洪水开始时间洪水结束时间峰现时间实测洪峰流量／ｍ３·ｓ－１１２００３６２６０８：００２００３６２９０８：００２００３６２７２０：００７０８２２００３７４０８：００２００３７８０７：００２００３７６０３：００１０４０３２００３７８０８：００２００３７１６０８：００２００３７１０２０：００３６１０４２００３９５０８：００２００３９９０８：００２００３９７０８：００３０９５２００４６１４０８：００２００４６１８０７：００２００４６１５２０：００３２４６２００４６１８０８：００２００４６２１０８：００２００４６１９２０：００４５６７２００４８１３０８：００２００４８２１０８：００２００４８１５０２：００１１２０８２００５８２２０８：００２００５８２６０８：００２００５８２４０６：００４４６９２００６７２６０８：００２００６７３０１２：００２００６７２７１３：００１９４０１０２００６８７０８：００２００６８１００８：００２００６８８２０：００２７４１１２００６９３０８：００２００６９７０８：００２００６９５０８：００６２０１２２００７７２２０８：００２００７７２８０８：００２００７７２４０７：００２０８１３２００７８２７０８：００２００７８３０１０：００２００７８２９０６：００４２２１４２００８６２１０８：００２００８６２８０８：００２００８６２３０６：００４８０１５２００８８１３０８：００２００８８１９２０：００２００８８１７０８：００１１４０１６２００８８２８０８：００２００８９３０８：００２００８８２９２３：００８６２１７２００９８５０８：００２００９８８２１：００２００９８７０２：００１１７０２　方法介绍基于动态临界雨量的山洪预警方法包括了面雨量计算、土壤含水量饱和度计算以及动态临界雨量指标确定等３部分核心内容。２．１　面雨量计算面雨量（流域平均降雨量）是指一次降雨过程中，整个流域面上的平均累计降雨量。最常用的推求方法有算术平均法、泰森多边形法和绘制等雨量线法（徐晶等，２００１；方慈安等，２００３）。本文采用泰森多边形