宁夏贺兰山小流域洪水预报方法探讨

张万宝，苏新国

（宁夏回族自治区水文水资源勘测局，750001，银川）

宁夏贺兰山小流域洪水预报方法探讨

张万宝，苏新国

（宁夏回族自治区水文水资源勘测局，750001，银川）

针对宁夏贺兰山沟道流域面积小、暴雨洪水突发性强、洪水预见期短的特点，在了解国内外洪水预报方法及小流域洪水预报难点的基础上，通过该区域实测水文资料，分析研究该区域产汇流规律，建立降雨径流相关图、时段降雨强度与洪峰流量相关图，尝试采用主因子经验相关法解决小流域洪水预报的需要。

小流域；洪水预报；贺兰山

宁夏贺兰山东麓植被稀疏、山势陡峭，暴雨洪水突发性强，灾害频发，洪水极易对下游银川市、石嘴山市造成灾害。由于贺兰山沟道分布广、数量多，流域面积小，暴雨洪水突发性强，洪水历时短，洪水预报工作难度大。为减少洪水危害，开展了该区域水文预报技术研究，以期将灾害程度降至最低。

一、基本情况

贺兰山位于宁夏西北部、黄河左岸，东麓南起花石沟，北至柳条沟，山脉呈西南、东北走向，与黄河流向平行。全长200 km，宽30 km。除大武口沟集水面积574 km2外，其他沟道流域面积均小于200 km2，其中集水面积大于50 km2的13条。

贺兰山东麓植被稀疏、山势陡峭，暴雨洪水频繁，地面径流以暴雨洪水形式出现，危害较大的主要有大武口沟、大风沟、汝箕沟、大水沟、苏峪口沟等。特别是1998年5月20日，白寺沟、苏峪口沟、贺兰口沟发生超百年一遇洪水。金山拦洪库东堤多处决口，15万人受灾，4 000多人无家可归，近10万亩（1亩=1/15 hm2，下同）农田被淹，5万亩绝产，直接经济损失2.0亿元。2006年7月14日，贺兰山地区普遍产生洪水，部分沟道发生50年一遇洪水，造成19.5万人受灾，直接经济损失2.3亿元。

二、国内外洪水预报技术研究进展

1.国外研究进展

日本国立防灾科学研究中心的菅原正于1961年提出水箱模型（Tank Model），该模型在国内外应用情况良好。1969年，加拿大学者发表题为《一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图》的文章，该文被认为首次提出了分布式水文模型的概念。分布式水文模型是基于过程描述的模型，能够克服集总式流域水文模型物理基础薄弱的缺点，对水文物理过程的时空变化描述更贴近真实情况。经过几十年的发展，出现了众多分布式物理模型，比较典型的有VSAS、IHDM、SHE模型。

2.国内研究进展

我国长期采用美国霍尔顿20世纪30年代提出的超渗产流概念。在20世纪60年代初，我国学者赵人俊在广泛研究南方流域的基础上，提出了蓄满产流的概念。目前国内常用洪水预报方法为经验相关法、传统水文模型（典型的有新安江模型、河北模型、陕北模型）、现代水文模型（人工神经网络、分布式模型）、系统数学模型等。

3.国内中小流域洪水预报编制的现状和难点

尽管当今的水文预报和方法较多，但精度不高是目前我国中小河流洪水实时预报面临的普遍问题，中小河流的洪水预报已经成为水文预报业务发展的一个瓶颈，以至于水文情报预报规范中至今尚未制定出其精度评价标准。中小河流洪水的特点决定了中小河流的洪水预报与大江大河的洪水预报思路不同，其难点可以归纳为以下几个方面：

①中小河流的水文资料一般较为缺乏，多属无资料、缺资料地区。

②监测站点不足，站网密度不够。

③由于暴雨的时空分布极不均匀，中小河流的洪水发生时间较短，常规水文6小时的报汛方法很难对其进行有效预报。

④现有通用的水文模型直接应用于中小河流的洪水预报中，缺乏针对性，无法适应洪水的特征，预见期和预报精度难以满足需求。

三、洪水预报方案的研究

1.贺兰山洪水预报的特点

①贺兰山洪水突发性强、汇流时间短、新建站点多、观测资料缺乏等特点，决定了山洪预报有效预见期短，方案编制困难，方案精度评定有别于大江大河。

②方案的编制坚持“可靠实用、技术先进”的原则。以实际业务需求为出发点，结合山洪预警预报的专业特点，选用当前成熟、实用的预报方法。

2.主要技术路线

①根据贺兰山区域的暴雨洪水特点，通过现有的3个水文站及配套雨量站的资料，分析产流汇流规律、洪峰出现时间、洪水总量，建立流域降雨量与径流量、降雨强度与洪峰流量等相关图，以此建立预报方案。

②根据3个水文站的地貌特点、流域特征等因素，对其他沟道的流域特点与3个水文站的代表性进行分析后，确定代表流域，对其他沟道的洪水进行预报。

3.传统经验预报方案

（1）流域产流规律

由于贺兰山地处干旱区，土壤经常处于干旱状态，一次降雨使流域达到饱和的概率极小，当雨强超过损失率，超过部分即可变为地面径流汇成洪水，产流方式以超渗产流为主。

根据洪水资料分析，贺兰山产流根据公式：

式中，Ri为产流期某时段净雨（mm）；Hi为产流期某时段面雨量（mm）；fi为产流期某时段损失水量（mm）。

（2）降雨径流经验相关分析降雨径流相关关系为：

式中，R为径流深（mm）；P为降雨量（mm）；Pa为前期影响雨量（mm）；tr为降雨历时（h）。

根据水文站实测各场次洪水所对应的降雨量（P）与净雨深（R）建立相关关系，其相关系数在0.7～0.97之间，相关性较好。3个水文站的降雨量与净雨深关系中，产流量由大到小分别是汝箕沟、大武口、苏峪口，反映了流域下垫面条件的差异性（见图1）。

图1　流域平均降雨量与净雨深关系图

（3）产流损失量分析

根据配套雨量站的降雨过程，用试算法分析计算产流期平均损失量，即从降雨过程中，先假定平均损失量，当降雨过程扣除损失后的净雨量与采用洪水过程计算的清水量换算的净雨深相等时，此时的平均损失量即为本场洪水的平均损失量。

对3处水文站实测洪水资料进行分析，各场次洪水的产流时段、产流期降雨量与平均损失量建立相关关系（见图2）。

平均损失率fi公式及参数为：

式中，tc为产流时段（h）；Htc为产流期降雨量（mm）。

产流前初损量的确定：根据实测洪水场次的产流与降雨过程分析，认为第一时段产流前的降雨量为初损雨量，统计分析贺兰山3处水文站初损雨量分别为：大武口、汝箕沟两站12mm，苏峪口站8mm。

（4）洪峰流量的预见期

洪峰出现预见期主要与流域面积大小、河道长度、暴雨中心位置等因素有关。根据3处水文站各场次洪水最大降雨时间与洪峰出现时间的统计分析，各站洪峰出现时间平均为36～85min（见表1）。将此时间作为预报洪水的参考洪峰滞时。降雨中心的位置处于流域上游，则洪峰出现滞时较长，否则洪峰出现滞时较短。

图2　贺兰山区产流期损失参数相关图

表1　水文站实测洪峰滞时统计表

（5）洪水预报方法

①根据流域内雨量站的降雨量计算平均降雨量，再根据降雨径流相关关系，计算流域净雨。

②根据各雨量站诸时段降雨量，以及流域净雨量，通过试算确定产流时段及平均损失量。

③根据各时段净雨，通过汇流单位线，计算流域断面出口的洪峰流量。

4.传统洪水预报方法的缺陷

①对于中小流域，特别是宁夏贺兰山地区，由于洪水预见期特短，从最大降雨强度出现至洪峰出现，苏峪口、汝箕沟一般在15～60min，大武口在30～90min。

②传统降雨径流相关图大多用于较大流域的洪水预报，该预报方案需在降雨过程完成后才能进行。一般在最大降雨强度出现后还有中小强度的降雨，因此该种预报方法难以满足预见期的需要。

5.主因子经验相关法

由于产流期的长短在降雨过程中随降雨强度的变化而变化，在降雨径流预报实施过程中无法事先知道究竟有几个时段产流，宁夏贺兰山大部分沟道流域面积较小，汇流时间及预见期很短，采用降雨径流相关法预报达不到预期目标，因此，本文通过其他方面的研究获得洪峰流量的预报。

（1）影响洪峰流量的主要因子

①降雨因素：降雨量、降雨强度、降雨时空分布。

②流域因素：流域面积、流域形状（沟道长度、流域宽度）、主沟道比降。

③下垫面因素：土壤、植被。

对于一个特定的流域来讲，流域面积、形状是固定的，下垫面条件也基本一致。因此，降雨是影响特定流域洪峰流量的主要因素。对大量实测暴雨洪水资料进行分析，因贺兰山地区产流方式为超渗产流，洪峰流量的大小主要取决于降雨强度的大小，即降雨强度对洪峰流量的贡献最大。因此，试图建立降雨强度与洪峰流量的相关关系。

（2）最大降雨强度与洪峰流量相关

根据3处水文站实测洪峰流量（为了3个站对照，采用洪峰模数，即洪峰流量/流域面积）与产流期最大时段降雨强度进行相关分析（见图3），其基本符合线性相关，相关系数在0.66～0.85之间，相同降雨强度下汝箕沟站洪峰模数较大，其他两站偏小且接近，最大降雨强度与洪峰模数关系见表2。

表2　最大降雨强度与洪峰模数关系表

四、洪水预报方法

1.洪水预警方案

根据水文站实测洪水资料分析成果，降雨量与净雨量相关图及降雨强度与洪峰模数相关图综合分析，流域平均降雨量累计超过10mm，且1 h降雨强度超过5mm即产生径流。以此作为洪水预警标准，当流域平均雨量超过10mm，且1 h降雨量超过5 mm就启动洪水预警。

2.洪水预报方案

根据实时水雨情信息和实时降雨过程，流域平均降雨量累计超过10 mm，当1 h降雨量超过5mm时，按照实测降雨强度，启动洪水预报系统，预报洪峰流量、洪水量及洪峰出现时间。

（1）洪峰流量预报

根据实时监测的流域内配套雨量站的时段降雨量资料进行分析预报。当时段降雨量超过预警雨量后，根据表2中的经验公式预报洪峰模数推求洪峰流量。当最大时段降雨量出现时，即为本次降雨形成的最大洪峰流量。

图3　最大降雨强度与洪峰模数相关图

（2）洪水时间预报

最大时段降雨量出现即预报出洪峰流量，流域内降雨中心位于流域中心位置取平均值，降雨中心位于下游取小值，降雨中心位于上游取大值（按平均时间的30%进行加减）。

（3）洪水总量预报

根据本场次降雨的累计降雨量，计算流域平均降雨量，由降雨径流相关图计算流域净雨量，进而计算洪水总量，由此预报出洪水总量。

五、预报方案的精度评价

1.水文预报方案的评定标准

①根据《水文情报预报规范》要求的20%，一般采用降雨径流预报方案进行预报的，洪峰流量的许可误差取实测值的20%，并以流量测验误差为下限。洪峰出现时间的许可误差取实测值的30%。

预报项目的精度按合格率或确定性系数的大小分为3个等级。甲等：合格率≥85%；乙等：85%＞合格率≥70%；丙等：70%＞合格率≥60%。

②对于由短历时、高强度暴雨形成的小范围山洪（汇流时间通常在6 h以内的），对骤发性洪水的预报可不进行精度评价。

2.洪水预报与实测洪水的分析

①根据制定的预报方案与实测的30多场次洪水资料进行预测精度分析，误差按照《水文情报预报规范》要求的20%，综合合格率洪水总量60%，洪峰流量仅为47%；按照30%精度控制，综合合格率洪水总量81%，洪峰流量为63%。

②考虑本区域暴雨的局地性较强，且方案采用的3处水文站配套系列较长的自计雨量站少，对各站大洪水场次重新进行误差分析，按照《水文情报预报规范》要求的20%，综合合格率洪峰流量为78%，洪水总量61%，见表3。

表3　预报精度评价表

六、综合评价

①贺兰山地区多为由短历时、高强度暴雨形成的小范围山洪（汇流时间通常在2 h以内）。根据《水文情报预报规范》，对于小流域骤发性洪水，不进行预报。

②贺兰山地处宁夏银川市、石嘴山市，是这两座城市重要的防洪区域，极易造成洪水灾害。为了减少洪水灾害造成的损失，有必要开展洪水预报工作。

③由于流域面积小、汇流速度快，传统的洪水预报方法满足不了该地区洪水预见期极短的需求。本文采用传统的预报方法进行产流分析，并结合区域特点采用主因子相关法，由于配套雨量站中具备系列较长的自计站较少、代表性差等客观条件限制，预报精度较低。

④该洪水预报方案达到《水文情报预报规范》乙级方案的精度要求，可以用来进行洪水预报，解决了本地区洪水预报的问题。■

［1］宁夏水文水资源勘测局.宁夏暴雨洪水图集［R］.1986.

［2］宁夏水文水资源勘测局.宁夏干旱半干旱区小流域暴雨洪水泥沙研究［R］. 2000.

［3］李巧玲，等.半湿润半干旱流域降雨径流关系及下垫面相似性［J］.河海大学学报，2015（2）.

［4］沈瑞昌，等.黄土高原小流域次暴雨洪峰流量影响因素分析［J］.中国水土保持科学，2015（2）.

［5］陈家琦.小流域暴雨洪水计算［M］.北京：中国水利水电出版社，2004.

责任编辑张瑜洪

Flood forecastingmethods for Helanshan smallwatersheds in Ningxia

Zhang Wanbao，Su Xinguo

Since the area of valley channel is small，Helanshan small watershed has been suffering from sudden rainstorm due to the time limit of flood forecasting.The rules of runoff generation and production in this area have been examined based on understanding of flood forecast methods home and abroad，and correlation diagrams between precipitation and runoff aswell as between duration rainfall intensity and peek flood.Principal components analysis and experience correlationmethod are adopted for flood forecasting in smallwatershed on a trial basis.

small watershed；flood forecasting；Helanshan

TV877

B

1000-1123（2016）15-0028-04

2016-03-28

张万宝，高级工程师。