基于动态临界雨量的山洪灾害预警技术研究.pdf

第 卷 第 期 年 月自 然 灾 害 学 报 .收稿日期:修回日期:基金项目:河北省省级科技计划项目():()作者简介:李 姣()女高级工程师硕士主要从事气象灾害防御方面的研究:.通讯作者:王丽荣()女正高级工程师硕士主要从事气象灾害防御方面的研究:.文章编号:()./.基于动态临界雨量的山洪灾害预警技术研究李 姣王丽荣王 洁邓 鹏赵铁松(.河北省气象灾害防御和环境气象中心河北 石家庄 .河北省气象与生态环境重点实验室河北 石家庄.南京信息工程大学 水文与水资源工程学院江苏 南京)摘 要:山洪预警预报是减少山洪灾害损失的重要方法准确估算临界雨量是山洪灾害预警的关键以坡底流域为例基于新安江水文模型综合考虑前期土壤饱和度、前期河道流量与产流面积研发了山洪灾害动态临界雨量计算模型可逐时输出、这 种历时的 级的山洪灾害临界雨量 检验结果表明构建的模型可以很好地模拟出坡底流域的洪水过程模型模拟场次洪水过程的确定性系数均在.以上对山洪预报准确率达到.山洪灾害临界雨量阈值随前期降水、前期河道流量、产流面积等的变化而发生改变相比静态临界雨量逐时滚动输出的动态临界雨量阈值更符合实际可对山洪灾害预警预报业务提供支撑关键词:预警预报动态临界雨量山洪灾害新安江模型坡底流域中图分类号:文献标识码:(.):.:引言山洪灾害具有来势猛、预见期短、危害性大、预报困难等特点 我国山丘区面积大、承灾体脆弱一旦发自 然 灾 害 学 报第 卷生山洪灾害往往会造成严重的经济损失以及人员伤亡山洪预警预报相关研究的开展对降低山洪灾害危险性具有现实应用价值现行的山洪灾害预警主要依据临界雨量即当降雨量超过某一临界值就会引发山洪灾害如何准确地估算临界雨量在山洪灾害预警预报工作中至关重要 国内外学者在临界雨量确定方法方面提出了不同思路如美国国家气象局水文研究中心基于典型的降雨、产流汇流等考虑了降雨、流域下垫面特性等因素利用 ()反推临界雨量 国内山洪临界雨量的确定主要采用统计方法、物理计算和水文模拟法等陈桂亚等、樊建勇等、王仁乔等分别以湖南、江西、湖北小流域为例对山洪灾害过程的降雨数据进行统计分析得到了研究区山洪灾害临界雨量江锦红等计算山洪灾害前期累计降雨量和灾前 的降雨量绘制暴雨临界曲线判定是否达到山洪灾害临界雨量李磊、王新宏等基于暴雨与洪水同频率假定采用水位/流量反推法计算无资料区/资料匮乏地区的山洪灾害临界雨量刘淑雅等利用新安江模型模拟了抚河流域不同时段、不同初始土壤条件下的临界雨量罗倩等采用 水文模型试算湖北省高堤河流域的临界雨量并分析了不同的降雨空间分布对临界雨量计算的影响以上国内临界雨量计算方法得到的多为静态雨量而实际情况下受下垫面状况、前期降雨、土壤湿度、河道流量等的影响临界雨量是动态变化的 近年来水文气象学家基于水文模型研究开展了动态临界雨量的研究如刘志雨等以 水文模型为基础计算了不同土壤饱和度下的不同历时的江西遂川江流域山洪灾害动态临界雨量但是相关研究较少且多数研究仅考虑了前期土壤含水量和降雨量的影响未考虑前期河道流量和产流面积因素且南方地区研究较多北方山丘区关于山洪动态临界雨量的研究较少本文选取位于河北太行山区的坡底小流域基于新安江模型综合考虑了流域前期的土壤饱和度、前期河道流量和产流面积构建了山洪灾害动态临界雨量计算模型可逐小时计算未来、这 种不同历时的 级的动态临界雨量结合气象部门逐时降水预报可实现对山洪灾害的逐时滚动预报对山洪业务提供技术支撑研究流域与数据资料.研究区概况图 坡底流域海拔和站点分布.选取河北省太行山区坡底流域为试点进行山洪灾害动态临界雨量阈值试算 坡底流域隶属于海河流域流域面积 年降水量在 之间属于半湿润地区降水量年内变化大主要集中在 月流域地形以山地为主海拔 地势西高东低、坡度变化较大流域植被覆盖较好坡底流域共有 个降水观测站和 个水文站(图)受其陡峭的地形及气候特征影响该流域的山洪、洪水灾害频发出现过“”、“”、“”等特大洪水灾害.研究资料坡底流域、年汛期(月)洪水过程的逐小时流量数据由邢台水文勘测研究中心提供与山洪过程时段对应的流域内 个雨量站的逐小时降水数据以及离坡底流域最近的邢台气象站的逐小时蒸发数据降水和蒸发数据由河北省气象局提供所有数据已经经过质量控制数据可靠分布均匀(图)研究方法.新安江模型新安江模型已被广泛应用于湿润与半湿润地区的山洪过程模拟模型结构分为蒸散发、产流、分水源和汇流 个层次进行计算:采用 层模型计算流域蒸散发量按蓄满产流概念计算流域产流量将水源划第 期李 姣等:基于动态临界雨量的山洪灾害预警技术研究分为饱和地面径流、壤中水径流和地下水径流三类针对 种径流类型分别选取单位线法(地面径流)和线性水库法(壤中水和地下水径流)进行汇流计算河道汇流采用分段连续演算的马斯京根算法模型的输入数据包括流域面雨量、蒸发量、流域特征参数、模型参数等输出数据为流域的土壤饱和度、河道流量、产流面积等利用山洪过程率定新安江模型参数.动态临界雨量计算流程本研究采用由临界流量反推临界雨量的方法 首先确定研究区域的山洪灾害临界流量根据确定的致灾临界流量和当前时刻的流域土壤饱和度、河道流量、产流面积等查找可产生临界流量的降水作为临界雨量 受到前期降水、蒸发等影响不同时刻流域的土壤饱和度、河道流量和产流面积是动态变化的因此不同时次的山洪灾害临界雨量也是动态变化的即:动态临界雨量)临界流量确定根据流域出口的流量大小判定流域是否发生山洪 由于缺乏长时间序列的流量资料本研究采用百分位数法确定不同等级的山洪灾害临界流量值 将流域内的流量数据按大小排序取其、位数对应的流量作为 四个等级的山洪灾害临界流量值代表发生山洪灾害的可能性逐级减小)动态临界雨量确定将计算时刻前 的降水、蒸发、临界流量以及率定好的模型参数输入新安江模型模拟得到当前时刻的土壤饱和度、河道流量和产流面积在此基础上再采用搜索效率较高的二分法搜寻能够刚好达到山洪临界流量对应的降雨量即为当前时刻山洪灾害临界雨量值(图)具体计算步骤如下:步骤:给定降雨下限(例如:.)和降雨上限(例如:.)求出其中位数 步骤:将前期观测降水数据和 作为新安江模型的降水输入模拟降雨过程中的最大流量 步骤:将最大流量 与山洪灾害临界流量 进行比较如果 将 替换掉 作为降水上限反之将 换掉 作为降水下限步骤:重复步骤 直到 与 的差值小于降水数据精度(一般精确到.)那么根据此时的雨量 模拟计算得出的流量最大值最接近山洪临界流量即雨量 为 相对应的临界雨量图 动态临界雨量模型计算流程.)临界雨量时段及等级确定为了满足山洪灾害预警的需求将预警时段确定为、这 种历时 根据上述确定的山洪灾害临界流量值动态临界雨量也分为 个等级代表发生山洪灾害的风险依次降低结果与分析.水文模型参数率定.模型参数率定与验证利用新安江模型开展山洪过程模拟首先要进行模型参数的率定利用、年间的自 然 灾 害 学 报第 卷 次山洪过程进行参数率定并验证模型参数 新安江模型参数物理意义明确取值受地区影响较大 其中有的参数很敏感稍微变化就对输出有很大影响有的参数反应迟钝对输出的影响很小参数敏感程度受湿润程度、水量大小等影响 根据模型结构按照蒸散发计算、产流与水源划分、汇流演算的次序对模型参数进行分块率定 根据流域面积、自然地理特征等给出模型参数的初始值运行水文模型模拟逐小时河流断面流量对比实测与模拟的水量平衡、洪水过程线、洪峰流量、峰现时间、确定性系数不断调整模型参数直至满足预报精度要求 表 为坡底流域模型参数率定结果表 坡底流域模型参数率定结果 产汇流过程参数参数意义取值范围值蒸散发计算流域蒸散发折算系数.上层张力水容量/下层张力水容量/深层蒸散发折算系数.产流计算流域平均张力水容量/张力水蓄水容量曲线方次.不透水面积占全流域面积比例.水源划分自由水蓄水容量/自由水蓄水容量曲线方次.壤中流出流系数.地下水出流系数.汇流计算壤中流消退系数.地下水消退系数.河网水流消退系数.滞时/马斯京根参数/马斯京根参数.流域特征马斯京根河段数流域面积/.山洪过程模拟结果表 给出了坡底流域 次山洪过程的模拟结果包括率定期山洪 场验证期 场 可以看出对于平均径流量模拟结果而言有 场山洪的模拟相对误差小于 仅有一场“”大洪水接近 从洪峰流量的模拟结果来看所有场次洪水的模拟结果较好相对误差均小于.峰现时间均控制在 以内所有场次洪水的实测流量与模拟流量的确定性系数均高于.根据水情预报规范以确定性系数为评价标准确定性系数在.以上的合格预报次数为 次合格率达 确定性系数在.以上(模拟准确度达到乙级)的场次为 次占总体的.以“”的洪水过程为例分析场次洪水模拟情况 年 月 日 时 日 时坡底流域出现持续性强降水流域 累计面雨量达.图 给出了此次山洪过程的降水实况以及过程流量和土壤饱和度的模拟结果 图()可以看出模拟与实测流量过程基本一致洪峰出现时间基本一致但是模拟洪峰流量(./)小于实测洪峰流量(/)这有可能是模型自身模拟误差所致也有可能是在使用雨量站数据作为模型输入数据时由于雨量站布设密度不够不能全面监测全流域的空间降雨情况导致模型模拟输入雨量偏小因此模拟流量偏小图()可以看出土壤在开始降水一段时间后达到饱和状态降水停止 后土壤饱和度缓慢降低 整体来看本次洪水过程模拟基本符合实际情况平均径流量模拟相对误差为.洪峰流量相对误差为.峰现时差为 确定性系数为.符合洪水预报精度规定第 期李 姣等:基于动态临界雨量的山洪灾害预警技术研究综合以上分析新安江模型在坡底流域的模拟结果较好可以用于山洪动态临界雨量的计算表 坡底流域洪水过程模拟精确度 洪水编号起止时间(年月日)平均径流量/(/)实测模拟相对误差/洪峰流量/(/)实测模拟相对误差/峰现时差/确定性系数率定期.验证期.图 坡底小流域“”洪水过程模拟结果.“”.动态临界雨量的估算采用百分位数法计算坡底流域流量数据的、位数的流量值分别为、/作为 等级山洪灾害临界流量 根据山洪代表性的原则选取 年 月 日特大山洪灾害过程前后的 个不同预报时刻以及 年中小规模山洪的场次的预报时刻计算了 个不同事件的山洪临界雨量阈值 首先将每个时刻的临界雨量阈值与实际面雨量进行比对来判定是否发布山洪灾害预警及预警等级然后将对应时刻的临界流量阈值与实际流量进行比对判定实际是否发生山洪表 给出了计算结果包括是否发生山洪灾害预警、山洪灾害预警等级等 从预报是否发生山洪来看 次事件中有 次预报准确 次空报 次漏报预报准确率为.其中漏报的事件分别属于、长历时的预警预报虽然长历时没有预报准确但其前面的短历时预报却准确及时地对山洪发出了预警预报 从山洪预警等级来看 次成功预报山洪灾害事件中有 次准确预报 次预报等级偏高偏高时次为 月 日 时的 预报、日 时的 预报和 月 日 时的、预报另外 月 日 时 出现空报可以看出预报偏高时刻主要出现在降雨过程开始或者雨强开始增强的阶段这可能与水文模型的模拟误差有关模拟流量大于实际流量导致预报等级偏高而水文模型模拟效果不理想的原因很多其中最主要的原因是山洪场次数据偏少样本代表性较差导致率定的模型参数存在误差自 然 灾 害 学 报第 卷表 山洪灾害预报效果统计 预报时刻系统计算的临界雨量/级级级级未来时段实测降雨量/预警山洪等级实际山洪等级 .注:表中“”代表没有达到山洪预警等级图 给出了“”暴雨过程前后坡底流域不同时刻的山洪灾害临界雨量可以看出受到前期降水的影响山洪灾害临界雨量是随时间动态变化的 以表 中选取时次的 时段的临界雨量计算结果为例进行分析 月 日 时山洪灾害发生前 的 级临界雨量阈值分别为、随着降水的增大山洪临界雨量阈值逐渐减小至 日 时 的临界雨量阈值变为、代表该地区正在遭受山洪灾害山洪过程结束之后不同历时的山洪灾害临界雨量阈值逐渐增大 月 日再次出现降水至 日 时 的临界雨量阈值分别为、(表)当前时刻的 临界雨量阈值介于 月 日 时与 时之间这是由于受到前期降水影响流域土壤饱和度、河道流量、产流面积发生改变的结果图 坡底流域“”洪水过程动态临界雨量阈值时间序列图.“”以 月 日 时的临界雨量阈值模拟结果看某一时刻的阈值特征可以看出临界雨量大小是随着不同时间尺度变化的随着历时与预警等级的增高临界雨量逐渐变大这种变化并不是线性的(图)这说明导致山洪灾害发生所需要的降雨量并不是与降雨历时成倍数增加的历时越短导致山洪发生所需的雨强越大即 发生山洪的雨强最大 发生山洪的雨强最小这与流域本身的调蓄作用有关第 期李 姣等:基于动态临界雨量的山洪灾害预警技术研究图 坡底流域 年 月 日 时山洪灾害临界雨量阈值.:通过以上分析可见模型整体预报准确率尚可计算得到的山洪灾害临界雨量阈值随时间和降水量的变化趋势正确相比静态临界雨量更能准确地反映出计算时刻流域面临的山洪灾害风险大小结论与讨论以往的山洪业务中用到的致灾临界雨量阈值多为静态阈值但是受到前期降雨影响土壤饱和度、河道流量和产流面积都是动态变化的静态阈值将不满足于业务需求本文以新安江模型为基础开发了动态山洪临界雨量计算模型综合考虑前期影响因素可计算多个时间尺度多等级的山洪动态临界雨量阈值不仅为坡底流域山洪预警业务提供技术保障也为其他流域山洪预警提供了研究思路主要研究结论如下:)新安江模型可以很好地模拟出坡底流域的洪水过程确定性系数在.以上峰现时间控制在 以内平均径流量相对误差和洪峰流量模拟误差均在合理范围内)计算得到的动态临界雨量随降雨时段不同动态变化其变化强度受雨强、累计雨量、降雨时长等影响 总体来讲雨强越强、累计雨量越大临界雨量阈值变化越明显)导致山洪灾害发生所需要的降雨量并不是与降雨历时成倍数增加的历时越短导致山洪发生所需的雨强越大即 发生山洪的雨强最大 发生山洪的雨强最小)本研究构建的山洪灾害动态临界雨量计算模型对判别是否发生山洪灾害预报准确率可达.预警效果较好参考文献:卢燕宇谢五三 田红.基于水文模型与统计方法的中小河流致洪临界雨量分析.自然灾害学报 ():.():.()沈澄 孙燕 尹东屏 等.江苏省暴雨洪涝灾害特征分析.自然灾害学报 ():.():.().():.(/):.():.陈桂亚 袁雅鸣.山洪灾害临界雨量分析计算方法研究.人民长江 ():.():.()樊建勇 单九生 管珉 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