桃河流域洪水預報方案研究

李曉峰

（陽泉市水文水資源勘測分局）

陽泉市位于山西省東部的太行山中段西麓，東、南面與平定縣相連，西面與壽陽縣毗鄰，北面與盂縣交界，總的地勢西北高、東南低，呈階梯狀分布。桃河作為陽泉市的“母親河”，自西向東穿越市區(qū)而過，夏季洪水暴漲暴落，對陽泉市區(qū)的防洪減災影響很大。因此，做好桃河市區(qū)段洪水預報工作極為緊迫。

1 桃河流域概況

1.1 自然地理

桃河發(fā)源于壽陽縣東部的土陘嶺，從郊區(qū)舊街鄉(xiāng)新店村進入陽泉市境內(nèi)，由西向東流經(jīng)郊區(qū)的舊街鄉(xiāng)、平坦鎮(zhèn)、礦區(qū)、城區(qū)以及郊區(qū)的李家莊鄉(xiāng)、義井鎮(zhèn)，在平定縣娘子關(guān)鎮(zhèn)與溫河匯合后稱為綿河。流域總面積1 313 km2，河長96 km。

桃河流域位于太行山區(qū)，呈東西向梯形狀，南北寬25 km，東西長52 km余，西高東低，主流偏于流域之北側(cè)，主要支流均偏于流域之南側(cè)。亂流以上為主要支流匯集區(qū)，地貌類型屬砂頁巖土石山區(qū)，剝蝕嚴重。森林覆蓋率僅為13%，水土流失嚴重，年土壤侵蝕模數(shù)2 820 t/km2。該區(qū)域為陽泉市主要工礦區(qū)，因采煤造成地貌的人為破壞嚴重。亂流以下無較大支流匯入，屬石灰?guī)r土石山區(qū)，河道橫割太行山屋脊，切割深達數(shù)十米到百余米，兩岸巖石裸露，絕壁懸崖，河流彎曲湍急。

陽泉水文站以上流域地質(zhì)，大體為砂頁巖區(qū)占55%，壤土區(qū)占45%；地貌多為丘陵山地，丘陵占63%，山地占22%，丘陵坡地占15%；土壤植被情況為，農(nóng)作物和灌木林占72%，裸露巖石占28%。陽泉水文站建站以來，實測最大洪峰流量為2 200 m3/s，發(fā)生于1959年；最大調(diào)查洪峰流量為2 810 m3/s，發(fā)生于1945年。陽泉水文站控制流域水系見圖1。

陽泉水文站控制流域面積490 km2，從發(fā)源地到陽泉斷面河長44 km，主要支流有太平溝、庫倉河、泉寺河、保安溝、蘆湖溝、桑掌溝、蒙村河等。河道平均縱坡11.5‰，河床糙率0.03。洪水主要由上游山區(qū)暴雨形成，洪水暴漲暴落，持續(xù)時間較短，挾沙能力強，具有典型的山溪河流特性。

1.2 水文氣象

陽泉水文站流域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L氣候，四季變化比較明顯，春季多風少雨，夏秋降雨集中，冬季干燥寒冷。據(jù)陽泉市氣象局近30年的統(tǒng)計資料，年平均氣溫10.8℃；1月最冷，月均氣溫-4.2℃；7月最熱，月均氣溫24℃。相對濕度54%，最大凍土深度68 cm（1968年2月）。流域多年平均降水量560.1 mm，最大年降水量866.4 mm（1964年），最小年降水量240.4 mm（1972年），最大日降水量為261.5 mm；降水量年內(nèi)變化較大，多集中在每年的6-10月份，約占年降水量的75%。

1.3 水利工程

陽泉市桃河流域現(xiàn)有?。?）型水庫1處，即山南水庫，位于桃河上游支流泉寺河上，屬壽陽縣轄區(qū)。水庫控制流域面積89 km2，總庫容535萬m3，壩體為土壩，1973年建成投入運行。由于地處桃河源頭區(qū)，建成后基本未泄水，對下游水文站洪水計算影響甚微。

1.4 水文站網(wǎng)

陽泉水文站控制流域現(xiàn)有水文站2處（舊街、陽泉），雨量站13處（見圖1）。

圖1 陽泉水文站控制流域水系圖

1.4.1 水文站

陽泉水文站始建于1955年6月，位于陽泉市桃南東街55號，集水面積503 km2。1980年1月，斷面上遷2 km至桃南中街簡子溝，集水面積490 km2，更名為陽泉（二）站，觀測至今。測驗河段兩岸均為塊石漿砌護岸，主槽寬71.0 m，左岸灘槽57.4 m，右岸灘槽26.0 m。灘槽為桃河公園景區(qū)，種有各種花草樹木。主河道每隔70m有一道人工蓄水壩，壩高0.9 m，且部分硬化，常年蓄水，高中水水流順直，河床為沙礫卵石與黏土碾壓而成，沖淤變化不大。測驗斷面橫斷面圖見圖2。

圖2 陽泉水文站測流橫斷面圖

1.4.2 雨量站

陽泉水文站控制流域內(nèi)現(xiàn)有雨量站共13處，皆為自記雨量站，具體位置與建設(shè)年份詳見表1。

表1 陽泉水文站控制流域雨量站統(tǒng)計表

2 洪水預報方案研究

2.1 洪水單元劃分

綜合考慮流域特性相近、水系完整、暴雨特性差異不大等因素，進行洪水單元劃分。充分運用流域內(nèi)現(xiàn)有的水文雨量站網(wǎng)資料，通過水文比擬、暴雨面積加權(quán)等方法，盡可能的使每個單元都有代表性雨量資料。根據(jù)洪水預報方案研究需要，將陽泉水文站控制流域共劃分為9個單元。

（1）蘆湖溝單元（A1）。面積58.4 km2，水文下墊面以砂頁巖灌叢山地為主，單元雨量由東西畛雨量站控制。

（2）馬家坡溝單元（A2）。面積33.2 km2，水文下墊面以砂頁巖灌叢山地為主，單元雨量由吳家掌雨量站控制。

（3）蒙村溝單元（A3）。面積58.01 km2，水文下墊面以砂頁巖灌叢山地為主，單元雨量由陽泉雨量站控制。

（4）保安溝單元（A4）。面積53.58 km2，水文下墊面為砂頁巖灌叢山地，單元相關(guān)區(qū)間雨量由新窯、保安2處雨量站控制。

（5）庫倉溝單元（A5）。面積39.51 km2，水文下墊面主要為黃土丘陵階地，單元相關(guān)區(qū)間雨量由芹泉、庫倉2處雨量站控制。

（6）太平溝單元（A6）。面積68.18 km2，水文下墊面由砂頁巖灌叢山地和黃土丘陵階地組成，單元相關(guān)區(qū)間雨量由太平、界石2處雨量站控制。

（7）桃河干流單元（A7）。面積23.62 km2，水文下墊面主要由砂頁巖灌叢山地和黃土丘陵階地組成，單元相關(guān)區(qū)間沒有雨量站，借用舊街雨量站資料。

（8）泉寺河單元（A8）。面積90.15 km2，水文下墊面主要由砂頁巖灌叢山地和黃土丘陵階地組成，單元相關(guān)區(qū)間雨量由落磨寺、山南水庫2處雨量站控制。

（9）桑掌溝單元（A9）。面積64.37 km2，為桃河的一級支流，水文下墊面以砂頁巖灌叢山地為主，單元雨量由后峪雨量站控制。

2.2 洪水節(jié)點確定

為了反映流域洪水的連通性，更好地為防洪減災提供服務(wù)，在洪水單元劃分的基礎(chǔ)上，進一步確定出5個洪水節(jié)點，用以在洪水預報系統(tǒng)中顯示其洪水信息。

流域單元分區(qū)及節(jié)點位置見圖3。

圖3 桃河流域上游洪水預報單元劃分示意圖

2.3 洪水預報方案說明

陽泉市桃河流域洪水預報方案，共分9個單元和5個節(jié)點。第5、第6單元產(chǎn)匯流計算結(jié)果，作為1001節(jié)點的控制流量；第8單元產(chǎn)匯流計算結(jié)果，作為1002節(jié)點的流量控制；1002節(jié)點、1001節(jié)點的流量，通過河道演算與第4、第7單元產(chǎn)匯流計算結(jié)果疊加，作為1003節(jié)點的控制流量；1003節(jié)點的流量，通過河道演算與第1、第9單元產(chǎn)匯流計算結(jié)果疊加，作為1004節(jié)點的控制流量；1004節(jié)點的流量，通過河道演算與第2單元產(chǎn)匯流計算結(jié)果疊加，作為1005節(jié)點的控制流量；1005節(jié)點與第3單元產(chǎn)匯流計算結(jié)果疊加，作為陽泉水文站出站口的控制流量。

3 洪水預報方案評價

3.1 洪水預報參數(shù)確定

洪水預報方案精度評定，按《水文情報預報規(guī)范》（GB/T 22482-2008）進行。洪水預報方案或模型的確定性系數(shù)，是洪水預報過程與實測過程之間的吻合程度指標。

陽泉水文站雨洪配套資料較少，本方案選用了4次 洪 水 過 程 （20160720、20150717、20120731、20110702）進行預報演算。經(jīng)過對各組參數(shù)反復調(diào)試后，最后確定了洪水預報參數(shù)（詳見表2）。

表2 陽泉水文站洪水預報方案率定結(jié)果場次洪峰與洪量確定系數(shù)統(tǒng)計表

3.2 洪水預報成果分析

20160720洪水和20110702洪水的預報情況與實測情況比較，詳見圖4和圖5。從圖4可以看出，20160720洪水：達到洪峰前的洪量，預報基本準確；預報的洪量峰值偏大，洪峰形成時間偏后；峰值后的洪量，預報偏大。從圖5可以看出，20110702洪水：達到洪峰前的洪量，預報較為準確；預報的洪量峰值偏小，洪峰形成時間偏后；峰值后的洪量，預報偏小。

圖4 陽泉水文站20160720洪水參數(shù)率定過程線比較

圖5 陽泉水文站20110702洪水參數(shù)率定過程線比較

3.3 洪水預報成果評價

對4場次歷史洪水過程模擬的評定結(jié)果，見表3、表4。由表3可以看出，對4次洪水的洪峰和洪量預報成果合格率均為50%。由表4可以看出，對4次洪水的峰現(xiàn)時間預報合格率達75%。

表3 陽泉水文站洪水預報方案率定結(jié)果（洪峰和洪量）

表4 陽泉水文站洪水預報方案率定結(jié)果（場次峰現(xiàn)時間）

4 有關(guān)問題討論

從上述洪水預報看，結(jié)果不是十分理想，其原因雖然是多方面的，但最主要的還是資料問題。

4.1 雨洪配套資料少

根據(jù)《水文情報預報規(guī)范》規(guī)定，一個洪水預報方案編制時，分析的洪水場次不低于25次。在本次洪水預報方案研究編制過程中，由于雨洪配套資料太少（20世紀80年代以前，洪水比較多，但當時雨量站數(shù)過少，觀測段制太粗；80年代以后，雨量資料雖然逐漸增加，但雨量站自記化程度不高，可選用的洪水資料也相對較少），參數(shù)率定僅選用陽泉水文站的4場次洪水，不滿足規(guī)范要求，給綜合分析帶來困難的同時，直接影響了洪峰、峰量參數(shù)的率定精度。

4.2 流域情況了解不全

由于對水文站控制流域內(nèi)的地形地貌、產(chǎn)流特性和洪水特性等了解不夠全面，率定洪水參數(shù)時依據(jù)條件太少，故造成了預報不準確。今后應對控制流域內(nèi)的水文狀況，進行全面詳細的調(diào)查。由于陽泉水文站控制流域2003年進行了河道改造，水文下墊面發(fā)生變化，加之分析洪水場次較少，洪水預報參數(shù)與預報結(jié)果均存在偏離實際情況。

4.3 洪水預報時段選取

目前，洪水預報演算的時段為1 h，對于陡漲陡落洪水過程不足1 h的洪水，預報結(jié)果與實測值相差較大，洪量差值更為突出。今后，應對洪水預報時段進行深入研究，針對不同流域情況，分析選取合適的洪水預報時段。