中小河流洪水预报难点及对策分析

宋尚波

(淄博市水文局，山东 淄博 255000)

科学技术和经济的发展对防洪建设提出了更高要求，大江大河无论在防洪工程设施建设，还是技术先进的洪水监测预报系统方面都有了较大的发展，而数量众多、分布范围广泛的中小河流却仍有“大雨大灾，小雨小灾”的灾害问题[1- 3]。为提高对中小河流洪水灾害的防治，一方面加强中小河流的防洪工程设施建设，另一方面要提高水文监测、研究开发适用的洪水预报模型，以提高中小河流洪水预报的准确度，降低洪水灾害造成的损失。

1 中小河流洪水预报的难点分析

我国有5万多条中小河流，河流分布广泛且地理条件复杂，中小河流流域分布着耕地良田和沿河城市。由于大肆开垦和利用中小河流流域的土地，对生态环境造成严重破坏致使水土流失严重，当遇到异常降雨天气时，将诱发中小河流发生洪水灾害，严重危害群众利益，制约当地经济发展。目前，国家也相继出台了一系列治理中小河流的工程措施，也对中小河流水文监测站点建设、防洪预警系统等非工程措施做了相关要求，但是目前洪水预报工作中仍存在较多的困难，制约了洪水预报的发展。

1.1 对中小河流洪水预报重视度不够

中小河流分布广泛，洪水的预报精准需要提供完善的信息数据，需建立完善的水文监测网络、配备专业技术人员。目前老站点缺乏有效看护、维修、运营，新站点建设没有落实，加上高层次人才的缺乏，使得中小河流洪水的数据无法及时采集、传输，影响了洪水预警预报的时效性和准确性。同时由于没有形成统一的中小河流洪水预报技术标准，导致中小河流洪水预报方案的精度和实效性难以得到保证。

1.2 数据资料不全，监察点较少

一直以来，我们主要关注江河防汛工作，而中小河流的水文监察预警预报工作相对滞后。目前，水文站点稀少、站网精密度低，中小河流流域雨量、水位、流量资料相对较少，很难依据实际完善的基础数据建立有效的中小河流洪水预报系统。同时，因为监测站点较少，且站网精密度不能满足要求，导致对雨量的监测存在误区、盲区，对于突发性降雨的强度等级和量度把握不准确，导致洪水预报系统结果不准确。

1.3 强降雨分布不均衡

强降雨是中小河流洪水发生的一个重要性因素，由于暴雨的空间分布存在不均衡现象，若水文监测站点不完善将很难准确预测出降雨强度。比如，中小河流洪水灾害发生在河流的某段小支流，而不是河流出口的位置时，很难对该段支流雨量进行相关数据的测试，洪水灾害就很难被测知。同时加之中小河流洪水暴涨暴落，来得快去得也快，时间周期较短，增加了预警预报难度。

1.4 洪水预报模型缺乏针对性

中小河流的洪水具有季节性，汛期中小河流域洪水汇流快，成灾快，破坏性强，由于中小河流域地形、地貌、降水过程、河流的水利工程设施均不相同，所以应根据流域洪水具体情况，选择适合本流域的洪水预报模型。现有水文模型或通用水文模型应用到中小河流洪水预报中缺乏针对性，很难全面反映河流洪水的实际情况，预报的精度也难以满足需求。根据每条河流流域的具体情况，建立适合中小河流自身条件的预报模型，是当前中小河流洪水预报的发展方向。

2 中小河流洪水预报解决对策

为有效解决中小河流洪水预报困难的问题，首先应建立完善的中小河流水文站点监测网络，以获取中小河流完整的水文资料；其次培养高素质、梯队型水文监测人才，提高对水文监测资料的应用与分析；最后基于中小河流现状开发适用性的洪水预警模型。HEC-HMS模型是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的一个具有物理概念的半分布式次洪降雨径流模型[4]，其包含4个模型结构，每个模型结构中又包含多种子模型计算方法可供选择，可较好适用于实测资料有限的中小河流洪水预警预报[5]。

2.1 HEC-HMS模型

HEC-HMS模型将洪水的产生的过程简化为产流计算、直接径流、基流、河道汇流相互独立的4个过程，模型结构如图1所示。HEC-HMS模型将空间降雨分布的空间变异性及流域下垫面条件考虑到计算中，把河流流域划分为若干个子流域，对每个子流域的降水过程进行模拟计算，然后将各子流域计算结果推演至流域出口处得出流域洪水参数。模型计算仅考虑河流流域降水的空间水文要素分布，对水文监测数据、地形地貌等资料要求较低，对水文观测资料有限的中小河流洪水预报具有较好的适用性[6- 9]。

图1 HEC-HMS模型结构

2.2 基于HEC-HMS的中小河流洪水预报模型构建

2.2.1 子流域划分

在地理空间数据云下载所研究河流流域的DEM数据，采用ARCGIS切割河流流域的DEM数据，再通过ARCGIS的拓展模块进行填洼、水流方向计算、汇流计算、出水口选定等，确定研究河流的子流域。根据选定的子流域计算河道长度、河道平均坡度、河道坡降、中心位置、高程等子流域的基本要素，根据不同土壤的渗透系数计算每个子流域的下渗参数。

子流域数量与河网阈值密切相关，河网阈值越小表示河网越密集子流域的数量越多。子流域数量应根据河流的复杂性来确定，一般山区河流比较密集，平面地区相对稀疏。理论上子流域划分越多越能体现出降雨分布的不均匀性，模型结果更加精准，但若水文资料的精度不高，会导致模拟效果变差，因此建立子流域模型时应根据河流具体情况选择合适的子流域数量。

2.2.2 气象模型

河流流域降水量多数通过分布广泛的水文观测站点获取，其数据受降水的空间分布影响较大，在HEC-HMS模型的气象模块中选择泰森多边形法计算每个子流域的降水量，泰森多边形法可根据各水文观测站在各子流域所占的面积比重进行降雨量重分配，以削弱降水空间变异性的影响。

3 HEC-HMS模型洪水模拟预报应用

蒙河属与沂河水系的中小河流，起源于临沂垛庄镇，呈南北走向。蒙河属季节性河道，年内降水分配很不均匀，河道流量与降水量变化规律一致，枯季流量较小，洪水主要集中在汛期。根据蒙河流域的水文特性、地形、地貌等条件，对HEC-HMS模型的4种计算模块选取合适的计算参数，建立蒙河洪水预警预报模型，并率定模型参数，详见表1。

表1 模型方案选择

3.1 参数初始值选择[4,10,11]

3.1.1 初损后损法

初损后损法主要参数有流域初始损失量(mm)、稳定渗透系数(mm/h)、流域不透水面积百分比。初始损失量主要与流域内地形条件及降水量相关，由于相关参数离散性较大，本次模型取各雨量站产流开始前的累计降水平均值作为损失量的初始值。

表2 洪水实测与模拟结果分析表

稳定渗透系数主要与土壤类型相关，蒙河流域主要为黏性土，稳定渗透系数取1.36～1.52mm/h。

3.1.2 SCS单位线法

流域综合无因次参数值CN为SCS单位线法唯一参数值，该值能够客观反映土壤及地表覆被条件对地表径流的影响，其模型结构简单易用。根据流域内的土地利用类型、水文土壤分类、前期土壤湿度，对各子流域加权平均得到各子流域的复合CN值。

3.1.3 退水曲线法

退水曲线法主要参数为峰值比、衰减系数、初始基流量。衰减系数是指当日基流与前一日基流的比值，根据流域内洪水退水线计算，衰减系数大致可取为0.86～0.95。初始基流量值根据各次降水量值，综合考虑土地使用类型与土壤性质，按照流域面积分配各子流域初始基流量。

3.1.4 马斯京根法

马斯京根法模拟河道汇流模型的参数有槽蓄曲线坡度和流量比重因子。槽蓄曲线坡度表达稳定流状态下水流在河道中的传播时间，可以根据河道长度和洪水流速的比值来初步确定槽蓄曲线坡度。流量比重因子表达河道流出量与流入量之间的关系，范围一般为0～0.5。

3.2 结果分析

选取蒙河2008—2012年的9场洪水数据对上述4个计算参数进行率定，采用内尔德米德优化算法和峰值加权均方根目标函数对参数进行优化，将率定数值代入对应参数模型，所得模拟结果与实际水文监测结果统计分析见表2。

根据SL 250—2000《水文情报预报规范》[12]对洪峰流量、峰现时差、确定系数等的要求，所选9场洪水有7场满足要求，合格率77.8%。洪峰流量误差在20%以内的占比为77.8%，径流总深误差在20%以内的占比为88.9%，峰现时差2h以内的占比为88.9%，确定性系数0.7以上的占比为66.7%。由以上数据大致可以判断所选择的模型参数、模拟方案可较好的适用于蒙河洪水的预警预报。

4 结语

由于中小河流水文监测站点网络覆盖不全面，河流实测水文资料较少，对河流防洪预报造成较大困难。本文采用HEC-HMS半分布式河流洪水预报模型，其模型结构简单，所需参数较少，可以较好的应用于水文资料有限的中小河流洪水预报。根据蒙河流域具体情况，选择适合于该流域的HEC-HMS模型的计算参数，模拟结果与实际水文资料对比显示，所选择计算模型能够较好地反映该河流洪水状况。因此，在选择河流洪水预报模型时不能照搬其他地区洪水预报模型，应根据流域的地貌特征、土壤条件、植被覆盖、降水类型等综合因素，选择符合条件的计算参数，并应对其进行率定，以确保洪水预报模型的可靠性。