桂林恭城河栗木站实用水文预报_赵童.pdf

广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）1基本情况栗木水文站位于广西桂林市恭城瑶族自治县栗木镇栗木河大桥左岸下游，2015 年 5 月开始报汛，集 水 面 积 200 km2，河 长 38 km，河 道 坡 降17.35，属中小河流报汛站。测验断面河道顺直；大断面为“U”型，两岸有防洪堤；河床质以卵石泥沙为主，水草季节性生长。栗木河又名观音河，为恭城河一级支流，发源于观音乡水滨村大龙源山，向西南流，经水滨、狮塘、观音、石头、上宅、栗木、建安，在六岭二渡桥附近注入恭城河。该流域年平均降雨量1830 mm，多年平均流量12.0 m3/s。2实用水文预报方法栗木水文站主要控制栗木河水位、流量过程，支流较少，对于分析中小河流洪水具有较强的代表性。本站以多年洪水资料为基础，运用了多种水文预报方法，建立了多套预报方案。目前，恭城水文中心站多以多元回归方程法作为制作水情服务产品的主要依据。2.1多元回归分析法栗木水文站多元回归分析法，通过对该流域次洪面降雨量，降雨历时、栗木水文站起涨水位、同时水位与洪峰水位5因素通过Excel内部函数linest函数建立多元回归方程，得到栗木水文站断面预报回归模型。栗木水文站采用收集整理的20152020年24场洪水进行方案制作，其中7场超警洪水。采用2022年4场洪水进行方案检验，4场洪水均超警。率定的多元回归方程结果为：Z峰=a0+a1P-a2T+a3Z起+a4Z同（1）式中：P为次洪面降雨量，mm；T为大于2 mm面降雨历时，h；Z起为起涨水位，m；Z同为预报时刻同时水位，m；系数a0=11.7，a1=0.00 623，a2=0.0 682，a3=0.181，a4=0.761。率定成果按照广西地方标准 中小河流洪水预警规范（DB 45/T2152-2020）评定该方案合格率，洪峰预报合格率95.8%，峰现时间预报合格率75%；方案检验洪峰合格率 75%，峰现时间预报合格率100%。2.2地貌单位线法单位线作为经典的水文预报方法，有很强的适应性。借助“广西中小河流预警预报服务平台”中的“雨洪分析”模块，利用广西地貌单位线的经验参数，解决暴雨洪水的产流过程，可以直接得出净雨；即通过“降雨径流经验相关图册”的成果，完成“PR”的产流计算过程。已知栗木水文站流域的流域面积F、河道坡降J，借用 广西暴雨径流查算图表 成果：m1稳=nk=1.34F0.297J-0.218（2）n=1.219F0.188J0.017（3）计算出n、k值，查纳希瞬时单位线S（t）曲线表，即可得地貌单位线成果（见表1）。桂林恭城河栗木站实用水文预报赵童，蒋灵芝（桂林水文中心，广西桂林541000）摘要以桂林市恭城瑶族自治县栗木水文站为例，介绍了广西中小流域常用的水文预报方法，包括多元回归分析法、地貌单位线法、中国洪水预报系统、涨率分析法。通过比对各方案的特点、适用条件及预报合格率，结果表明：涨率分析法综合误差最小，地貌单位线法误差最大。而在实际应用中，多元回归方程预报方法使用最为广泛。关键词水文预报；多元回归分析；地貌单位线；中国洪水预报系统；涨率分析法；栗木水文站中图分类号P338文献标识码A文章编号1003-1510（2023）01-0113-04收稿日期2022-12-12作者简介赵童（1990-），男，湖北安陆人，桂林水文中心水情科二级主任科员，硕士，主要从事水文分析预报工作。水情预报与服务 113DOI:10.16014/ki.1003-1510.2023.01.022赵童，蒋灵芝:桂林恭城河栗木站实用水文预报表1地貌单位线成果序号1234567891011121314S（t）00.0420.2320.4750.6800.8200.9050.9520.9760.9880.9941.000S（t+1）00.0420.2320.4750.6800.8200.9050.9520.9760.9880.9941.000u00.0420.1900.2430.2050.1400.0850.0470.0240.0120.0060.0030.0020.001通过对20192022年10场洪水预报合格率统计，统计结果只有3场洪水预报合格，有5场洪水预报误差太大，水位预报值大于实际值1 m，预报合格率见表2。2.3中国洪水预报系统法中国洪水预报系统运用比较成熟，也适用于该流域。本文通过2021、2022年实时数据，选择采用新安江三水源蓄满产流模型（SMS_3）、三水源滞后演算汇流模型（LAG_3），因为只有一个输入，未使用河道演算方法。面平均雨量站由白竹岭、观音、栗木、水滨和堰塘5个站控制，面平均雨量计算采用泰森多边形权重系数法，模型率定确定性系数为0.826，参数率定结果见图1。近两年来4场洪水预报，洪峰预报合格率100%、峰现时间预报合格率75%。图1中洪系统率定成果表2地貌单位预报合格率序号12345678910洪水时间2019-04-072019-06-092019-07-132020-05-162021-05-042021-05-122022-04-252022-06-132022-06-212022-07-04洪峰流量/（m3/s）320357349163232266408292610284预报流量/（m3/s）718586351346302411612299853233洪峰水位误差/m1.381.140.021.000.360.731.000.041.21-0.26是否合格不合格不合格合格不合格不合格不合格不合格合格不合格合格114广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）2.4涨率分析法将单峰型洪水水位涨水段过程线概化为抛物线，水位、涨率过程线等方程，即：Z()t=at2+bt+c（4）Z()t=2at+b（5）Z()t=2a（6）最大涨率出现之前，水位过程线呈现开口向上的凹函数，即二阶导为正；最大涨率出现之后，水位变化呈现开口向下的凸函数，即二阶导为负。最大涨率出现后，依据本站退水经验，初定洪峰出现时间，即可通过曲线外延得到洪峰预报水位，原理见图2。实际应用中，利用广西中小河流预警预报服务平台中“水情分析”模块的“涨率过程线”分析系统，即可实现涨率分析预报（见图3）。在该预报系统中输入洪峰预测时间，系统即自动生成预测的水位过程线，若过程线衔接吻合度差，则调整洪峰出现时间，最后可得到一条拟合程度较高的预测过程线，但此洪峰预报时间可能与实际洪峰出现时间存在误差。该方法一般为水文中心站发布洪水预警提供参考。图2涨率分析法示意图图3涨率分析法实例3各方法特点及对比分析3.1各预报方法特点（1）多元回归分析法。按照多场次洪水统计分析，找到一个误差最小的拟合方程。基层水文测站人员易于掌握该方法，方案的合格率一般能达到乙级以上5，适用于水文中心站发布洪水预警，是使用较广泛的预报方法之一。该预报方法只预报洪峰水位，无水位过程。（2）地貌单位线法。依据流域特征、地区综合参数等，建立产汇流模型。因为可以计算出断面径流过程，对于计算水量、指导相关水利工程调度有一定的意义。该方法使用的 广西暴雨径流查算图表，地貌单元分区较粗，且地貌单元性质已有改变，特别是水利工程的兴建，在小流域上的部分参数仍需要优化。由于模型本身的两个假定（倍比、叠加）并不能完全反映实际的水文过程，造成合格率较低，仅为30%。115赵童，蒋灵芝:桂林恭城河栗木站实用水文预报（3）中国洪水预报系统。是相对成熟的概念性流域水文模型，应用范围较广。预报的方案确定性系数、合格率基本能满足发布水文预报的要求。洪水预报模型的建立、参数的率定等对使用人员具有一定的专业要求。（4）涨率分析法，从纯数学原理分析水位上涨规律。借助5 min实时遥测水位数据，该方法可以进行实时校正，水情人员可以第一时间更新预报。但因为缺乏确定的物理成因规律，遇到持续降雨，该方法的预报时间、洪峰水位也有较大的误差。3.2各方案预报结果对比分析因为中国洪水预报系统数据库只有2021年8月以来的实时数据，为全面对比4种预报方法的合格率，选取2022年4场洪水进行验证分析，制作预报，水雨情数据截取时间均保持一致，分析结果见表3和图4。图4各水文预报方法相对误差对比图各水文预报方法综合分析，涨率分析法综合误差最小，最大误差小于15%；单位线法误差最大，两场洪水预报误差均大于42%；中国洪水系统预报洪峰误差均在限差内，有一次误差时间超过限差；多元回归方程预报洪峰有一次超限，超限不大。从各场次洪水分析，4月25日场次洪水，除单位线法预报误差较大达到42.7%外，其它3种预报方法误差均小于-5.1%，且预报误差均偏小。该场洪水降雨历时（时段面平均雨量大于2 mm）为5 h，大于10 mm降水时段为连续的4 h，降雨相对集中，前期江河底水不高，是一场典型的暴雨洪水过程，而地貌单位线法的“线性时不变”假定，对于强降雨预报会偏大；同时，因为本场暴雨洪水的暴雨中心位置有一个向上游移动的过程，相对于流域调蓄作用增强，实际洪峰会小于预报值。6 月13日场次洪水，主雨峰之前有效降雨5个时段，大于10 mm有连续2个时段，因为主雨峰过后至洪峰出现前仍有19.6 mm雨量未做处理，所以预报值会偏少，其中多元回归法对面雨量数据相对敏感，误差最小。6月21日场次洪水是一次长历时、双洪峰、最大超警1.58 m的洪水，多元回归方程因为前期降雨未计算在内，预报值会偏小；涨率分析中因为遇到前次洪水的退水过程，涨水段涨率会比正常情况下小，因此预报的洪峰偏小；中洪方法预报在涨水阶段，对雨强变化反应敏感，流量过程线呈现出随雨表3各水文预报方法误差情况（以2022年4场洪水为例）序号12345678910111213141516方案名称多元回归方程地貌单位线中洪系统涨率分析法洪水场次2022-04-252022-06-132022-06-212022-07-042022-04-252022-06-132022-06-212022-07-042022-04-252022-06-132022-06-212022-07-042022-04-252022-06-132022-06-212022-07-04洪峰水位/m187.14186.56188.08186.51187.14186.56188.08186.51187.14186.56188.08186.51187.14186.56188.08186.51流量/（m3/s）408292610284408292610284408292610284408292610284涨幅/m2.341.602.881.722.341.602.881.722.341.602.881.722.341.602.881.72预报洪峰/m187.05186.21187.85186.40188.14186.60189.29186.26187.02186.40188.54186.40187.11186.33187.82186.27洪峰误差/m-0.09-0.35-0.23-0.111.000.041.21-0.25-0.12-0.160.46-0.11-0.03-0.23-0.26-0.24相对涨幅误差/%-3.8-21.9-8.0-6.442.72.542.0-14.5-5.1-10.016.0-6.4-1.3-14.4-9.0-14.0洪峰预报是否合格合格不合格合格合格不合格合格不合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格时间误差/h22110-1-2-2-14-201221峰现时间预报是否合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格不合格合格合格合格合格合格合格（下转第 122 页）116Study of regime,river and reservoir forecast and operation integrationfor Weihou Hydropower Station