瞬時(shí)單位線在清水河寶鈦工業(yè)園區(qū)洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

石牡麗

瞬時(shí)單位線在清水河寶鈦工業(yè)園區(qū)洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

石牡麗

（陜西省水文水資源勘測局，陜西西安710068）

針對清水河流域短缺資料的實(shí)際情況，姚家?guī)X水位站距離下游報(bào)鈦工業(yè)園區(qū)相對較近，出于安全考慮，根據(jù)地面凈雨強(qiáng)度，將瞬時(shí)單位線轉(zhuǎn)化為1小時(shí)的時(shí)段單位線推求洪水過程的方法和用單位線推求出面雨量和洪峰流量與重現(xiàn)期的關(guān)系查圖法，能夠滿足預(yù)警預(yù)報(bào)的要求，可以應(yīng)用于清水河流域?qū)氣伖I(yè)園區(qū)的洪水預(yù)警預(yù)報(bào)中。

瞬時(shí)單位線；洪水預(yù)報(bào)；應(yīng)用

1 流域概況

清水河是渭濱區(qū)境內(nèi)渭河右岸一級支流，發(fā)源于秦嶺北麓，由南向北流經(jīng)渭濱區(qū)八魚鎮(zhèn)、馬營鎮(zhèn)、于馬營鎮(zhèn)東匯入渭河。干流長28.4 km，流域面積162.5 km2，河道平均比降35.2‰。主要支流有大清河，西岔河和東岔河。其中大清河和西岔河位于清水河左岸，東岔河位于清水河右岸，東岔河以下干流順直，無大支流匯入，整個(gè)流域呈扇形。清水河流域地形南高北低。流域中上游為峰嶺錯(cuò)列，山崖陡峻的土石中低山區(qū)，清水河姚家?guī)X以南植被豐茂，水土保持良好，姚家?guī)X以北侵蝕嚴(yán)重，近年來采取了植樹造林和臺塬坡面綠化工程，在一定程度上緩減了水土流失現(xiàn)狀。大部分地區(qū)森林覆蓋，植被良好，下游兩岸為黃土臺原區(qū)。清水河地處秦嶺北麓，夏秋季節(jié)雨量比較充沛，旱情多發(fā)生在冬春季節(jié)，夏季受南方暖濕氣流影響，易發(fā)生大暴雨，河流具有山溪性河流洪水暴漲暴落的特性。除漲水情況下，清水河水質(zhì)清澈，含沙量低，多年平均輸沙量1.35萬t，多聚于清水河入渭河口。

2 姚家?guī)X水位站概況

2.1 水位站地理位置及主任務(wù)

姚家?guī)X水位站位于寶雞市渭濱區(qū)馬營鎮(zhèn)姚家?guī)X村，是渭河右岸的一級支流清水河干流控制站，斷面以上河道平均比降32.5‰，河長22 km，控制集水面積124 km2。測驗(yàn)項(xiàng)目包括水位、雨量。水位站的管理采取無人值守，委托當(dāng)?shù)厝丝垂艿哪Ｊ?，?dān)負(fù)向國家大型企業(yè)寶鈦集團(tuán)有限公司、馬營鎮(zhèn)及下游沿河各村鎮(zhèn)的防汛任務(wù)。

2.2 測驗(yàn)河段概況

測驗(yàn)河段順直，斷面右岸緊鄰寶鈦廠區(qū)公路，左岸為寶鈦管棒工廠，兩岸有河堤，河床由砂卵石組成。歷年最高洪水位797.50 m，最低枯水位為790.50 m。

3 預(yù)報(bào)的總體思路

此本次計(jì)算根據(jù)《寶雞市水文適用手冊》中提供的點(diǎn)平均暴雨量等值線圖和相關(guān)的地區(qū)綜合參數(shù)，用暴雨洪水圖集法推求設(shè)計(jì)暴雨，按地區(qū)綜合概化成的典型概化雨型（用百分比表示）來推求暴雨的時(shí)程分配，按蓄滿產(chǎn)流方式進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，用初損后損法推求地面設(shè)計(jì)凈雨過程，根據(jù)本區(qū)域流域面積，比降和相關(guān)參數(shù)，利用S曲線將瞬時(shí)單位線轉(zhuǎn)換為1 h的時(shí)段單位線的匯流計(jì)算來實(shí)現(xiàn)由降雨量推求洪水過程的預(yù)報(bào)方法。

4 預(yù)報(bào)的原理依據(jù)

瞬時(shí)單位線屬于一種概念性模型，它是1957、1960年由J.E.納希推導(dǎo)出瞬時(shí)單位線的數(shù)學(xué)方程，用矩法確定其中的參數(shù)，并提出時(shí)段轉(zhuǎn)換等一整套方法。流域瞬時(shí)單位線：流域上分布均勻，歷時(shí)趨于無窮小，強(qiáng)度趨于無窮大，總量為一個(gè)單位的地面凈雨在流域出口斷面形成的地面徑流過程線。瞬時(shí)單位線用于短缺資料或無資料地區(qū)的洪水計(jì)算。參數(shù)n、K,決定單位線的形狀和特征。本次計(jì)算中清水河流域的n、K是通過m1,m2，計(jì)算得出來的。瞬時(shí)單位線最終要通過s曲線轉(zhuǎn)化為時(shí)段單位線才能用，用法和經(jīng)驗(yàn)單位線的用法一樣。

5 預(yù)報(bào)的方法與步驟

5.1 產(chǎn)流計(jì)算

5.1.1 用暴雨洪水圖集法推求設(shè)計(jì)面暴雨量

根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)p%=（p=20%、10%、5%、2%）和以上的地區(qū)綜合統(tǒng)計(jì)參數(shù)，推求出各時(shí)段的設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量，本方案中在點(diǎn)暴雨等值線圖上查出不同頻率下的點(diǎn)平均暴雨量，和相應(yīng)的CV, CS=3.5CV，并根據(jù)寶雞地區(qū)秦嶺北麓1 h、3 h、6 h、24 h的擬合曲線參數(shù)at與指數(shù),bt,帶入公式a=1/(1+atF)bt算出點(diǎn)面折算系數(shù)a，再根據(jù)x設(shè)=x kp和x面=x設(shè)×a推算出面暴雨量，最大12 h點(diǎn)暴雨量由最大6 h，最大24 h點(diǎn)暴雨量根據(jù)公式H12=(H6×H24)0.5內(nèi)插推求。

5.1.2 用初損后損法推求設(shè)計(jì)地面凈雨過程

（1）選定設(shè)計(jì)暴雨雨型

本方案采用《寶雞市水文適用手冊》按地區(qū)綜合概化成的典型概化雨型（用百分比表示）來推求暴雨的時(shí)程分配。流域面積小于或等于300 km2的流域選最大12小時(shí)設(shè)計(jì)暴雨雨型。

（2）推求設(shè)計(jì)地面計(jì)凈雨過程

根據(jù)暴雨時(shí)程分配表，推求設(shè)計(jì)頻率p%=（p=20%、10%、5%、2%、）的設(shè)計(jì)凈雨過程。

前期影響雨量Pa、土壤最大蓄水量Im的計(jì)算

本方案中Pa采用秦嶺北麓、西部山區(qū)的分區(qū)定數(shù)Pa=2/3× Im=47 mm,Im=70 mm。

扣除損失量推求地面凈雨過程：

①初損量的計(jì)算：本方案中P初損采用秦嶺北麓、西部山區(qū)的分區(qū)定數(shù)P初損=Im/3，也就是說本次降雨量與前期影響雨量之和大于土壤最大蓄水量才開始時(shí)產(chǎn)流。此時(shí)的損失量就是初損量采用一次扣除的方式。

②扣除后損P后損計(jì)算：后損P后損按按總凈雨深P凈總的20%各時(shí)段平均扣除在各個(gè)產(chǎn)流時(shí)段P凈總=p+pa-Im

③求地面凈雨過程：從各個(gè)時(shí)段的地面凈雨深中，分別把初損后損量逐時(shí)段扣除就得到地面凈雨過程。

5.2 匯流計(jì)算

5.2.1 根據(jù)《寶雞市水文適用手冊》，結(jié)合清水河流域面積、比降和地區(qū)綜合參數(shù)確定m1，m2

①根據(jù)產(chǎn)流計(jì)算過程，從不同設(shè)計(jì)頻率下的地面凈雨數(shù)據(jù)，計(jì)算造峰歷時(shí)TP和時(shí)段平均造峰雨強(qiáng)I

TP=1.63（F/J）0.244=2（定值）

②計(jì)算m1，m2

根據(jù)公式:m1=m1I=10×(10/I)b

m1I=10=2.394（F/J）0.243=2.394×（124/35.2）0.243=3.25（定值）

b=0.628-0.1207lgF=0.628-0.1207×lg124=0.375（定值）

根據(jù)TP的取值在地面凈雨過程中選取最TP小時(shí)凈雨量HnpI=Hnp/Tp

Ik=18.75(F/J)0.181=23.5（定值）

如果I＜Ik,取I值，如果I＞Ik，取Ik值。其中：m1I=10為當(dāng)I=10 mm時(shí)，m1的值；I為造峰雨時(shí)段平均雨強(qiáng)（mm/h)；F為流域面積；J為河道平均比降；b為非線性改正指數(shù)；TP為造峰歷時(shí)及平均雨強(qiáng)的確定；Hnp為造峰歷時(shí)的凈雨量；Ik為臨界雨強(qiáng)。

m2=0.882×(F/J)-0.197=0.69（定值）

③計(jì)算n,k值

根據(jù)式n=1/m2，K=m1/n求出不同設(shè)計(jì)頻率所對應(yīng)的n,k值。不同重現(xiàn)期所對應(yīng)的m1，m2，n，k值見表1。

5.2.2 用（s）t曲線將瞬時(shí)單位線轉(zhuǎn)化為1小時(shí)10 mm的時(shí)段單位線

由n和t/k為參數(shù)查s(t)曲線表，求得瞬時(shí)單位線，由瞬時(shí)單位線轉(zhuǎn)換為時(shí)段單位線。假定流域上凈雨持續(xù)不斷，每一單位時(shí)段有一單位凈雨，則可以求出出口斷面的流量過程，該過程線稱為s曲線。流域上的凈雨歷時(shí)不同，雨強(qiáng)也不同，所形成的單位線面積相同，形狀卻不同，因此需要轉(zhuǎn)化單位線的時(shí)段長來滿足推求流量的需要。s曲線就是瞬時(shí)單位線的累積曲線，由單位線縱坐標(biāo)值累加求得。有了s曲線就可以用s曲線轉(zhuǎn)換為單位線的時(shí)段長，本方法中采用時(shí)段為1 h，之所以用1 h是因?yàn)橐規(guī)X水位站的遙測雨量數(shù)據(jù)和姚家?guī)X雨量站遙測雨量數(shù)據(jù)設(shè)置為1 h報(bào)送一次，與之配套計(jì)算，預(yù)報(bào)更方便些，更適合實(shí)時(shí)滾動預(yù)報(bào)。

根據(jù)《寶雞市水文適用手冊》的相關(guān)規(guī)定，經(jīng)計(jì)算重現(xiàn)期為20年以上（包括20年）所對應(yīng)的（s）t曲線是一樣的，因?yàn)樽畲? h造峰雨強(qiáng)均大于臨界雨強(qiáng)23.5 mm/h,取臨界值，所計(jì)算出來的m1、m2相同，n、k值也相同，因此（s）t曲線也是相同的。重現(xiàn)期在20年以下，最大2 h造峰雨強(qiáng)均小于臨界雨強(qiáng)23.5 mm/h,因此計(jì)算出來的n、k值不同，（s）t曲線也不同，但差別不大。根據(jù)預(yù)警預(yù)報(bào)要求，計(jì)算了20年一遇、10年一遇、5年一遇的最大2 h的造峰雨強(qiáng)，并根據(jù)雨強(qiáng)，求得n、k值，推算了其相應(yīng)（s）t曲線。不同重現(xiàn)期所對應(yīng)的瞬時(shí)單位線轉(zhuǎn)換為1 h的時(shí)段單位線計(jì)算表見表2。

表1 不同重現(xiàn)期所對應(yīng)的m1，m2，n，k值見下表

表2 單位線列表重現(xiàn)期所對應(yīng)的m1，m2，n，k值見下表

表3 姚家?guī)X水位站不同重現(xiàn)期的洪峰流量、洪峰滯時(shí)表

5.2.3 選定預(yù)警預(yù)報(bào)所用的時(shí)段單位線

針對清水河流域的實(shí)際情況，經(jīng)過分析計(jì)算后確定用三種單位線進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。根據(jù)產(chǎn)流方案，當(dāng)最大2 h造峰地面凈雨雨強(qiáng)≤14.1 mm/h時(shí)用單位線1，當(dāng)最大2 h造峰地面凈雨雨強(qiáng)14.1 mm/h≤I≤18.6 mm/h時(shí)用單位線2，當(dāng)最大2 h造峰地面凈雨雨強(qiáng)I≥Ik臨界雨強(qiáng)=23.5 mm/h時(shí)用單位線3。單位線列表見表2。

5.2.4 用excel編程序制表直接輸入數(shù)據(jù)做預(yù)警預(yù)報(bào)

選起漲流量為基流，單位線計(jì)算的流量過程中最大流量就是洪峰流量Q，從選用時(shí)段降雨量資料中，參與計(jì)算的第一個(gè)時(shí)段的時(shí)間t+最大流量出現(xiàn)的時(shí)段數(shù)n就是峰現(xiàn)時(shí)間T。參與計(jì)算的第一個(gè)時(shí)段的時(shí)間就是地面徑流開始的時(shí)間，也就是降雨重心時(shí)間。時(shí)段數(shù)n就是洪峰滯時(shí)。降雨重心時(shí)間+洪峰滯時(shí)=峰現(xiàn)時(shí)間T。

6 用不同頻率暴雨推算不同頻率洪峰流量建立關(guān)系進(jìn)行預(yù)報(bào)

6.1 根據(jù)面平均雨量計(jì)算洪峰流量、洪峰滯時(shí)

以上是根據(jù)凈雨雨強(qiáng)，選用用瞬時(shí)單位線轉(zhuǎn)換為1 h段單位線實(shí)現(xiàn)預(yù)警預(yù)報(bào)的方法，同時(shí)還可以不同頻率的降雨量，利用典型概化雨型，應(yīng)用單位線推求不同頻率的洪水建立關(guān)系，用重

圖1 姚家?guī)X水位站面平均雨量與重現(xiàn)期關(guān)系圖

現(xiàn)期作為紐帶，直接查圖進(jìn)行快速預(yù)報(bào)。計(jì)算結(jié)果見表3。

6.2 建立雨量與重現(xiàn)期，流量與重現(xiàn)期關(guān)系圖

6.3 作業(yè)預(yù)報(bào)的方法與步驟

圖2 姚家?guī)X水位站洪峰流量與重現(xiàn)期關(guān)系圖

（1）根據(jù)相應(yīng)時(shí)段的面平均降雨量查圖1，求出重現(xiàn)期；

（2）用所查重現(xiàn)期和相應(yīng)的時(shí)段查圖2，求出洪峰流量；

（3）根據(jù)表3內(nèi)插求出洪峰滯時(shí)，面降雨量結(jié)束時(shí)間+洪峰滯時(shí)=峰線時(shí)間，由于姚家?guī)X所屬流域面積小，峰現(xiàn)時(shí)間在3 h之內(nèi)，根據(jù)表3內(nèi)插即可。

7 結(jié)論

根據(jù)預(yù)警預(yù)報(bào)任務(wù)要求，當(dāng)預(yù)警預(yù)報(bào)站接近預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)或區(qū)域平均降雨量達(dá)50 mm時(shí)，應(yīng)及時(shí)作預(yù)警預(yù)報(bào)，針對清水河流域短缺資料的實(shí)際情況，姚家?guī)X水位站距離下游寶鈦工業(yè)園區(qū)相對較近，出于安全考慮，根據(jù)地面凈雨強(qiáng)度，將瞬時(shí)單位線轉(zhuǎn)化為1 h的時(shí)段單位線推求洪水過程的方法和用單位線推求出面雨量和洪峰流量與重現(xiàn)期的關(guān)系查圖法，能夠滿足預(yù)警預(yù)報(bào)的要求，可以應(yīng)用于清水河流域?qū)氣伖I(yè)園區(qū)的洪水預(yù)警預(yù)報(bào)中。

Application of the Instantaneous Unit Line in Flood Forecast of Baotai Industrial Park Area in Qingshuihe River

Shi Muli
（Shaanxi provincial hydro-geologyand water resources exploration bureau,Xi’an 710068,Shaanxi）

In viewofthe actual situation ofthe shortage ofwater resources in the Qingshui River Basin,Yaojialing water station is relatively close to the downstream Baotai industrial park.For safety,according to the ground rainfall intensity,the instantaneous unit line is converted intoa 1 hour period unit line tocalculate the flood process and to find out the relationship between the rainfall and the peak flow together with its reproduction period,The method can be applied to the flood forecasting of Baotai Industrial Park in Qingshui,which can be used tothe flood warningand forecastingin Baotai Industrial Park area ofQingshui River Basin.

The instantaneous unit line；flood forecastingand application

TV122

B

1673-9000（2017）02-0009-03

2017-01-17

石牡麗（1981-），女，陜西府谷人，工程師，主要從事水文水資源工作。