无资料地区中小河流的洪水预警方法研究

1.水文统计方法

水利工程设计中常采用径流分析和设计洪水等传统的水文统计方法，其中包括参数等值线图法、年径流系数法、推理公式法等。

（1）参数等值线图法。我国已绘制了全国和分省（区）相关水文特征的等值线图和表，其中的年径流深等值线图及其Cv等值线图，可供无资料中小流域估算设计年径流时直接采用。如果设计工程所在流域的附近找不到参考流域，且工程所在流域又无降雨资料或其代表性不够，一般建议采用等值线图法。具体做法如下：根据年径流深均值等值线图，可以查得设计流域年径流深的平均值，然后乘以流域面积，即得设计流域的年径流量；根据年径流深Cv值等值线图，按比例内插出流域重心的Cv值；年径流的Cs值，一般采用Cv的倍比（Cs=2～3Cv）。在确定了年径流深的均值、Cv、Cs后，便通过查找P-Ⅲ型频率曲线表，绘制出该流域年径流的频率曲线，查图即可得到设计频率的年径流量。

（2）年径流系数法。该方法主要应用于周边没有参证流域，但却有长序列的具有代表性降雨观测资料的流域。首先求出多年平均降雨量，乘以径流系数，即可求出多年平均径流量。该方法的关键在于径流系数的确定，目前确定径流系数的方法有多种：①对于有现成径流系数资料的地区可以直接采用；②移植邻近流域的径流系数；③通过水文手册或图集查读出本流域的多年平均年径流量，并与年径流深等值线图法的成果进行对比分析，合理后予以选用（李红霞，2009）。

（3）推理公式法。无资料地区水文预报主要在于给出流量最大值，其受净雨过程和汇流单位线综合影响。无资料地区的净雨过程可以通过地区综合单位线图求得，在使用之前应对其适用性进行论证。推理公式主要是对径流过程进行概化，目的是使参数的外延和移用。它包含两个方面的内容：一是根据各站洪水分析参数进行综合和外延，另一个根据单站综合参数进行地区综合。

2.水文移植方法

（1）水文比拟法。本方法主要将参证流域的水文特征参数移植到设计流域。在年径流的分析估算中使用较多。本法的要点是将参考站站点的径流特征值，经过适当的修正后移用到设计断面。设计流域面积应与参证流域面积接近，通常以不超过15%为宜。常用的参证变量为多年平均降水量。当设计流域无降水资料时，也可以不采用降水参变量。年径流的Cv值可以直接采用，一般无需进行修正，并取Cs=2～3Cv。水文比拟法的精度，取决于设计流域和参考流域的相似程度，特别是流域下垫面的情况要比较接近（李红霞，2009）。

（2）比较水文学法。国外近些年发展起来的了一种新的方法“比较水文学”，通过有实测水文记录的流域与类似相似的无实测资料流域进行对比，将其间降水、和地形等有区别的方面进行适当的修正。从而将有资料地区的资料记录进行移植。对于像水文和气象这些复杂的自然现象来说，如果没有掌握其成因及其演化的内部机理，就很难进行计算。然而我们可以通过长系列的资料，进行非参数统计分析。其具有系列越长，结果越真实的特点。但是目前的水文资料大都是几十年，想要提高水文统计的精度是不现实的。但是在我国却较少采用这种方法，这是因为我国可以通过直接应用大量的水文现象历史记录，极大地增加了水文系列长度，比从外流域引用记录资料更可靠（焦桂梅，2006）。

（3）水文模型参数移植法。流域水文模型是水文科学中最重要的分支之一，是研究水文自然规律和解决水文实践问题的主要工具（熊立华，2004）。模型参数移植法即先将水文模型应用于有数据地区率定出一组参数，再将该组参数移植到无数据地区。研究表明，参数较少的模型比复杂模型在无数据地区具有更大的适用性，同时在参数移植过程中，要考虑流域的相似性（Stieglitz S P A M，2012）。例如，IHACRES（Identification of unit Hydrographs and Component flows from Rainfall，Evapotranspiration and Streamflow data）模型是一个以单位线原理为基础的集总式概念性降雨-径流模型，该模型结构简单、概念明确、优选参数少，在国外已被广泛研究和应用。国内方面，柴晓玲，郭生练等（柴晓玲，2006；柴晓玲2005）也将IHACRES模型应用于无数据地区径流过程，验证了该模型的适用性和流域相似性对参数移植效果的影响。

3.水文实验方法

（1）水文实验。对于无资料地区，可以通过实验获取第一手资料从而开展水文预测。水文实验方法包括野外实验和室内实验（刘苏峡，2010）。

20世纪50年代，铁道部科学研究院和中国科学院地理所等单位合作，进行了大量的水文实验，根据降雨径流成因机制研究分析了降雨径流形成过程，通过大量野外实验确定出不同下垫面条件下产流的条件，通过室内模型实验对坡面汇流和河道汇流过程进行了模拟，最终建立了小流域洪峰流量模型。20世纪60年代，水文工作者们按照河川径流年内动态的差异，将我国河流进行了全面的分类。随后我国进行了大规模的水文调查，勾绘了我国年径流深等一系列水文特征值的等值线图。

这些积累为无资料或资料稀缺的中小流域设计洪水工作提供了极大的方便。通过水文实验方法，可以获取第一手数据资料，进行产汇流机理的研究，是研究PUB的重要手段之一。

（2）增设水文测站。我国水文站网于1956年开始统一规划布站，经过多次调整，布局已较合理，对国民经济发展起到了积极作用。但我国西部地区的水文站网密度稀疏，同时随着我国水利水电发展的情况，大规模人类活动的影响，不断改变着天然河流产汇流、蓄水及来水量等条件，因此对水文站网要进行适当调整和补充（叶守泽，2003）。

按站网规划的原则布设测站，例如河道流量站的布设，当流域面积超过3000～5000km2，应考虑能够利用设站地点的资料，把干流上没有测站地点的径流特性插补出来。预计将修建水利工程的地段，一般应布站观测。对于较小流域，虽然不可能全部设站观测，但应在水文特征分区的基础上，选择有代表性的河流进行观测。在中、小河流上布站时还应当考虑暴雨洪水分析的需要，如对小河应按地质、土壤、植被、河网密度等下垫面因素分类布站。布站时还应注意雨量站和流量站的配合。对于平原水网区和建有水利工程的地区，应注意按水量平衡的原则布站。也可以根据实际需要，安排部分测站每年只在部分时期（如汛期或枯水期）进行观测。又如水质监测站的布设，应以监测目标、人类活动对水环境的影响程度和经济条件这三个因素作为考虑的基础。

4.水文遥感方法

（1）流域水文水资源调查。根据水体反射特征与陆面、植物等其他类型地物之间的差别，我们可以通过遥感图像对流域进行识别，准确查清流域的范围、流域面积、流域下垫面覆盖类型、流域河长、河网密度和河流弯曲度等。根据不同类型和波段的遥感资料，容易判读各类地表水的分布；还可以通过分析饱和土壤面积、含水层分布来估算研究区域地下水储量（张长江，2003）。在无资料地区或人类难以到达的地区，可应用RS/对地观测对各类水域面积或冰雪覆盖面积进行详查。根据遥感资料还可进行水质监测，包括分析识别热水污染、油污染、工业废水及生活污水污染、农药化肥污染以及悬移质泥沙、藻类繁殖等情况。另外，利用遥感资料可确定洪水淹没范围，决口、滞洪、积涝的情况，泥石流及滑坡的情况（SadiqⅠ，2011），同时还可观察到河口、湖泊、水库的泥沙淤积及河床演变，古河道的变迁等（叶守泽，2003）。

（2）区域蒸发估算及土壤水分监测。RS/对地观测能够快捷地获得大面积地面特征信息，利用遥感资料结合地面气象和植被要素反演区域蒸发通量是当前估计区域蒸发最为准确最有前途的手段。常用的估算原理是以能量平衡方程为基本出发点求解区域蒸发，同时还有其他一些方法，试图通过某个环节或过程，利用遥感信息来估算区域蒸发（SadiqⅠ，2011）。

利用遥感技术对土壤水分进行监测有两类方法：一类是直接测量方法，即利用微波遥感方法对地表土壤湿度进行监测，同时可获得不同深度的土壤信息（土壤水分垂直分布）；另一类是间接测量方法，即依据可见光/红外波段遥感资料，利用作物缺水指数、植被指数、热惯量等方法，获得地表能量及作物生长信息，然后建立与土壤水分的相关函数/经验公式，从而计算土壤水分。

蒸发和土壤水分信息很大程度上决定了水文过程模拟的精度。利用遥感技术获取蒸发和土壤水分资料对无资料地区水文预报（PUB）具有十分重要的意义。

（3）降水量的测定及水情预报。在雨量站和雷达观测站点较稀的地区，我们可以借助遥感资料（遥感红外、可见波段或微波）获取降水的空间分布特征（WPG，1996）。通过气象卫星传播器获取的温度和湿度间接推求降水量或根据卫片的灰度定量估算降水量；根据卫星云图与天气图配合预报洪水及旱情监测；绘制流域冰雪分布图，进行流域融雪径流预报。

此外，还可利用遥感资料分析处理测定某些水文要素如水深、悬移质含沙量等。利用卫星传输地面自动遥测水文站资料，具有投资低、维护量少、使用方便等优点，且在恶劣天气下安全可靠，不易中断，对大面积人烟稀少地区更加适合。

5.参数区域化方法

目前参数区域化回归方法是解决无资料地区水文预报问题的一类行之有效的方法，国外有很多学者对此进行了研究，而国内方面相对研究得较少。参数区域化方法通过流域属性寻找目标流域和参证流域，并通过参证流域参数推求无资料目标流域参数，区域化方法可以利用更多的信息，很大程度上降低水文预报不确定性、提高预报精度。

我国学者已经广泛意识到要在无资料流域降雨径流预报中考虑地形地貌因素。胡健伟将地貌瞬时单位线（GIUH）应用于无资料地区的汇流计算，该法能定量地将地貌因子引入流域响应并且对流域水文数据依赖较少（胡建伟，2005）。黄国如将TOPMODEL模型应用于无数据地区的径流模拟，该法以地形为基础，利用DEM提取地形指数并用地形指数来描述和解释径流趋势以及由于重力排水作用使得径流沿坡向的运动（黄国如，2007）。张建云提出了基于GIS的降雨径流模型，其中产流计算采用美国水土保持局（SCS）的径流曲线数法，汇流计算采用经张建云改进的三角形单位线，该模型所有参数均可利用流域的地形、地貌、土壤覆盖、植被分布等地理信息分析确定（张建云，1998）。目前，国内的PUB研究均涉及流域属性分析，但参数区域化分析方面做得较少。

我国最早的参数区域化研究应该是单位线地区综合法。该法在Nash单位线的基础上，由有资料流域的单位线要素或者瞬时单位线参数与其流域的自然地理因素之间的相关关系，推导出无资料地区的单位线或者瞬时单位线（夏军，2004；包为民，2007）。单位线法后来发展出了多个分支，如经验单位线、综合瞬时单位线、瞬时单位线、综合单位线。中国运用瞬时单位线法对各省不同下垫面类型的流域进行研究，成果良好。瞬时单位线是根据自然地理特征对Nash模型中的参数n，k进行地区综合。只通过地理特征就可以解决单位线问题，因此对水文站点数目要求不高。不仅如此，瞬时单位线可以用于非线性外延，通过建立单位线的参数与非线性因子之间的关系，得到非线性修正后的单位线参数，从而获取整个流域单位线。

与我国相比，国外在参数区域化研究方面的尝试较多。Ming Li，Quanxi Shao，Lu Zhang等提出了一个叫做指标模型的新区域化方法，根据指标模型，水文预报工具中的所有参数均能通过流域属性参数和气候变量获得，具体做法为将不同预报因子的线性组合作为指标，并通过连接方程建立指标和模型参数之间的关系（Ming Li Q S，2010）。Simone Castiglioni，Laura Lombardi等将区域化最大似然法应用于无资料流域降雨径流模型的率定，他们认为模型参数与控制气候和流域属性之间存在相关关系，并且发现根据区域化信息可以控制模型参数的范围，从而降低模型的不确定性（Simone Castiglioni L L，2010）。Jos Samuel，PaulinCoulibaly等（2011）对不同的参数区域化方法进行了比较，包括空间相近法（例如克里金插值法、反距离权重法、算术平均法求参数），属性相近法和回归法，同时在此基础上提出了空间相近法与属性相近法耦合的区域化方法，结果表明耦合的区域化方法、反距离权重区域化方法、克里金区域化方法的效果较好（Jos Samuel P C，2011）。Teemu S.Kokkonen，Anthony J.Jakeman等将区域化方法应用于日径流模拟，认为区域化方法应该考虑流域属性的不同，并应优先识别控制参数变化的流域因子，然后估算子流域的径流（Teemu S，2003）。D.Mazvimavi，A.M.J Meijerink等将多元回归和神经网络应用于无资料地区径流特征预报，结果表明年平均降雨量、流域坡度和河网密度是对流域径流特征影响最主要的因子，同时神经网络与线性方程相比能更好地描述径流特征，表明了径流特征与流域属性之间的非线性关系（D.Mazvimavi，2005）。Thomas Bosshard，Massimiliano Zappa基于中国稀缺资料的三峡地区进行了区域化降水修正和预报不确定性方面的研究，研究结果表明区域化参数之间存在自相关性从而导致了径流预报的不确定性（Thomas Bosshard，2008）。M.S.Gibbs，H.R.Maier等认为参数区域化方法比移植法效果更好，并建立了无资料地区参数回归区域化的通用框架，即根据流域信息推求模型参数（M.S，2004）。