南川河貴石溝水文站洪水預(yù)報(bào)方案解析

王文君

（陽(yáng)泉市水旱災(zāi)害防御中心，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 流域概況

1.1 自然地理

南川河為桃河的一級(jí)支流，發(fā)源于平定縣的端嶺、七千寨、潘家峪一帶，自西向東經(jīng)南坳、羅家峪、暫石，在西郊與陽(yáng)勝河會(huì)合，折而北流，經(jīng)南上莊、南坪至亂流匯入桃河。流域全長(zhǎng)38.6 km，流域面積531 km2，主河道長(zhǎng)26 km，流域均寬7.96 km，河床比降較陡，在10‰～200‰之間。南川河主要由上游的三大支流原坪河、尚怡河、蘇村河及中游左岸的城南河組成。貴石溝為南川河的一級(jí)支流，入河口位于河道中游，水文站以上流域面積145 km2。

1.2 水文氣象

貴石溝水文站控制流域位于土石山區(qū)，受地理環(huán)境影響較大。春季回暖迅速，氣溫日變化較大，雨水稀少，蒸發(fā)量大，干旱多風(fēng)沙；夏季高溫，雨量集中，空氣濕潤(rùn)，風(fēng)速較?。磺锛窘禍匮杆?，雨量驟減，氣候涼爽；冬季嚴(yán)寒干燥，雨雪稀少，多偏北風(fēng)。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。多年平均氣溫10.5℃，無(wú)霜期在170 d。全年總?cè)照諘r(shí)數(shù)為2 787 h，封凍期一般在12月中旬至次年3月中旬，多年平均封凍期為90 d，平均風(fēng)速2 m/s。

1.3 水利工程

南川河上游建有3座?。ㄒ唬┬退畮?kù)，分別是尚怡水庫(kù)、原坪水庫(kù)、上冶頭水庫(kù)。

尚怡水庫(kù)位于陽(yáng)泉市平定縣冶西鎮(zhèn)尚怡村，水庫(kù)大壩為粘土心強(qiáng)砂礫石混合壩，控制流域面積為50.6 km2，于1974年開(kāi)工，1978年完工，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇設(shè)計(jì)，200年一遇校核，總庫(kù)容590.4萬(wàn)m3，為Ⅳ等Ⅳ級(jí)?。ㄒ唬┬退畮?kù)。

原坪水庫(kù)位于陽(yáng)泉市平定縣冶西鎮(zhèn)原坪村，水庫(kù)大壩為重粘土斜墻土壩，控制流域面積為27.8 km2，1982年完工，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇設(shè)計(jì)，100年一遇校核，總庫(kù)容382萬(wàn)m3，為Ⅳ等Ⅳ級(jí)?。ㄒ唬┬退畮?kù)。

上冶頭水庫(kù)位于陽(yáng)泉市平定縣冶西鎮(zhèn)上冶頭村，水庫(kù)大壩為砌石石拱壩，控制流域面積為10 km2，1979年完工，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇設(shè)計(jì)，100年一遇校核，總庫(kù)容123萬(wàn)m3，為Ⅳ等Ⅳ級(jí)小（一）型水庫(kù)。

三座水庫(kù)為平定縣城及冶西、冠山、石門(mén)口三個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，19個(gè)村，2.87萬(wàn)人，957.33 hm2耕地和陽(yáng)煤集團(tuán)五礦、陽(yáng)光發(fā)電有限公司、京宇磁材有限公司等10多個(gè)重要企事業(yè)單位提供供水保障，為307國(guó)道、太舊高速公路等重要交通干線(xiàn)提供防洪保護(hù)。

1.4 水文站網(wǎng)

貴石溝水文站控制流域內(nèi)，現(xiàn)有水文站1處（貴石溝），已建自記雨量站共計(jì)7處。

2 預(yù)報(bào)方案解析

2.1 合理性分析

預(yù)報(bào)方案是以與斷面有關(guān)的河段、流域特征和洪水構(gòu)成為基礎(chǔ)，利用預(yù)報(bào)模型和合理方法進(jìn)行演算而形成的一個(gè)體系。

根據(jù)貴石溝流域下墊面屬性現(xiàn)狀，結(jié)合流域形狀和雨量站點(diǎn)布置，將流域分成若干個(gè)單元，以單元為基礎(chǔ)計(jì)算產(chǎn)流和匯流，得出單元面積的出流量，然后將出流過(guò)程按河系串聯(lián)，從上游依次以節(jié)點(diǎn)向下游演算，最后求得貴石溝斷面的洪水過(guò)程。單元?jiǎng)澐盅菟惴椒?，物理概念清楚，弱化了降雨、產(chǎn)流空間的不均勻性，有利于提高成果的精度。該預(yù)報(bào)方案采用水文模型單元產(chǎn)流、匯流法預(yù)報(bào)，方案比較合理。

2.2 單元?jiǎng)澐?/h3>

充分運(yùn)用流域內(nèi)現(xiàn)有的水文雨量站網(wǎng)資料，通過(guò)水文比擬、暴雨面積加權(quán)等方法，盡可能地使每個(gè)單元都有代表性雨量資料。按照流域特性相近、水系完整、暴雨特性差異不大的原則，劃分為4個(gè)單元。

第1單元原坪水庫(kù)控制流域，單元面積30.03km2。水文下墊面由砂頁(yè)巖灌叢山地組成。單元相關(guān)區(qū)間雨量由原坪1個(gè)雨量站控制。

第2單元尚怡水庫(kù)控制流域，單元面積48.86km2。水文下墊面以砂頁(yè)巖灌叢山地、砂頁(yè)巖森林山地組成。單元相關(guān)區(qū)間雨量由馬家莊、大南莊2個(gè)雨量站控制。

第3單元下冶頭水庫(kù)控制流域，單元面積29.27km2，水文下墊面以砂頁(yè)巖灌叢山地、砂頁(yè)巖森林山地組成。單元相關(guān)區(qū)間雨量由下冶頭1個(gè)雨量站控制。

第4單元南川河控制流域，單元面積32.51 km2，水文下墊面主要以砂頁(yè)巖灌叢山地、黃土丘陵階地組成。單元相關(guān)區(qū)間雨量由南溝、原坪、尚怡、下冶頭4處雨量站控制。

2.3 節(jié)點(diǎn)選定

各單元之間因下墊面的不同，需設(shè)置節(jié)點(diǎn)來(lái)反映流域的連通性，進(jìn)而分析洪水的來(lái)源。本預(yù)報(bào)方案在單元?jiǎng)澐值幕A(chǔ)上，選定 3個(gè)結(jié)點(diǎn)（1001、1002、1003），用以在預(yù)報(bào)系統(tǒng)編制中顯示各結(jié)點(diǎn)的洪水信息，使預(yù)報(bào)成果更接近實(shí)際。流域單元分區(qū)及節(jié)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。

圖1 貴石溝水文站上游洪水預(yù)報(bào)單元分區(qū)示意圖

2.4 方案說(shuō)明

貴石溝洪水、預(yù)報(bào)方案共有4個(gè)單元（A1、A2、A3、A4）和3個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)河道流量演算與4個(gè)單元產(chǎn)匯流計(jì)算結(jié)果疊加，可得出貴石溝水文站出口斷面流量、洪量過(guò)程。方案流程見(jiàn)圖2。

圖2 貴石溝水文站上游洪水預(yù)報(bào)方案流程圖

2.5 資料匯編

貴石溝洪水預(yù)報(bào)方案所選用的資料，嚴(yán)格遵守《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T 22482-2008）的要求。

2.5.1 資料的收集

貴石溝洪水預(yù)報(bào)方案的編制收集了以下資料：

貴石溝水文站以上流域區(qū)間及鄰近流域內(nèi)7處雨量站，設(shè)站起至2016年的降水和流量資料；南川河流域內(nèi)1∶50 000平面圖，對(duì)流域內(nèi)植被進(jìn)行調(diào)查，收集地質(zhì)和水文地質(zhì)資料；對(duì)流域內(nèi)的河道特征值進(jìn)行重新量算；利用兩種以上面積權(quán)重計(jì)算方法，對(duì)流域內(nèi)各雨量站面積進(jìn)行量算，結(jié)合實(shí)際選取最精確的面積量算結(jié)果。

2.5.2 資料的處理

方案編制從貴石溝水文站觀測(cè)整編的資料中挑選場(chǎng)次洪水，并對(duì)各雨量站原始記錄所對(duì)應(yīng)各場(chǎng)次洪水的雨量，及前15日的雨量按時(shí)段1 h進(jìn)行摘錄，對(duì)流域內(nèi)簡(jiǎn)易站點(diǎn)，采取人工觀測(cè)資料結(jié)合周邊自記雨量站記錄的降水過(guò)程和強(qiáng)度進(jìn)行等時(shí)段分析處理。

同時(shí)，在資料整理過(guò)程中，為了模型參數(shù)率定科學(xué)合理，通過(guò)點(diǎn)繪每場(chǎng)暴雨洪水過(guò)程線(xiàn)圖，分析場(chǎng)次暴雨洪水的雨區(qū)分布、徑流系數(shù)、產(chǎn)流面積、產(chǎn)流規(guī)律等措施，保證每場(chǎng)洪水雨洪配套較好，最后選用雨量分布均勻，雨洪配套較好的洪水進(jìn)行模型參數(shù)率定。

3 參數(shù)率定及合理性分析

方案或模型的確定性系數(shù)，是洪水預(yù)報(bào)過(guò)程與實(shí)測(cè)過(guò)程之間的吻合程度指標(biāo)。預(yù)報(bào)方案精度評(píng)定，按《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T 22482-2008）進(jìn)行。

3.1 參數(shù)率定與成果

概念性水文模型的參數(shù)分為物理參數(shù)與過(guò)程參數(shù)。物理參數(shù)，代表著流域可以測(cè)量的物理特性，如流域面積等；過(guò)程參數(shù)，代表著流域不能直接測(cè)量的物理特性，過(guò)程參數(shù)必須進(jìn)行率定。參數(shù)率定的主要依據(jù)，是洪水預(yù)報(bào)過(guò)程與實(shí)測(cè)過(guò)程吻合程度。

3.1.1 參數(shù)率定要求

貴石溝以上流域共劃分4個(gè)單元，3個(gè)結(jié)點(diǎn)，由于流域內(nèi)原有雨量站點(diǎn)稀少，雨量代表性差，很多雨量站觀測(cè)段次不能滿(mǎn)足預(yù)報(bào)要求，再加上所選用的洪水場(chǎng)次較少，所以很難率定出精度較高的參數(shù)。

本次洪水預(yù)報(bào)方案一共選用2場(chǎng)次雨洪配套資料，為降低方案率定難度，方案率定時(shí)，首先對(duì)流域內(nèi)的暴雨中心和暴雨的走向進(jìn)行資料分析，合理分配時(shí)段雨量，調(diào)整各雨量站所占權(quán)重，最后以預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，相差在允許誤差內(nèi)或最為接近時(shí)調(diào)試各單元參數(shù)。

（1）率定步驟

流域模型參數(shù)的率定，大致可以分為以下三步進(jìn)行：首先，按照洪水預(yù)報(bào)流域單元?jiǎng)澐智闆r，確定雨量和流量站位置名稱(chēng)，并對(duì)資料進(jìn)行錄入整理；其次，按照流域下墊面情況，建立子流域文件，初步選定參數(shù)值。最終，通過(guò)程序運(yùn)行和成果分析，結(jié)合流域現(xiàn)狀調(diào)查情況，對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確定參數(shù)值。

（2）率定的原則

由于貴石溝以上流域下墊面情況比較單一，各單元地類(lèi)相似，所以在率定產(chǎn)匯流參數(shù)時(shí)，根據(jù)下墊面情況直接借用臨近或相似單元的參數(shù)。

首先選用近期雨量和流量資料控制較好、觀測(cè)精度較高的洪水進(jìn)行參數(shù)率定，同時(shí)結(jié)合《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》分析成果，包括流域吸收率、導(dǎo)水率、流域水文下墊面圖等，為早期洪水參數(shù)率定積累經(jīng)驗(yàn)、奠定基礎(chǔ)。

3.1.2 率定結(jié)果

貴石溝水文站雨洪配套資料較少，本方案選用了2場(chǎng)洪水過(guò)程進(jìn)行預(yù)報(bào)演算，經(jīng)過(guò)對(duì)各組參數(shù)反復(fù)調(diào)試，2場(chǎng)洪水過(guò)程分為低水、高水，作為貴石溝以上流域預(yù)報(bào)參數(shù)初值，由于洪水場(chǎng)次較少，需要在今后的實(shí)踐中不斷地修定。產(chǎn)流參數(shù)率定結(jié)果見(jiàn)表1。

3.2 合理性分析

洪水預(yù)報(bào)精度評(píng)定的項(xiàng)目，包括洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間、徑流深等。因?qū)嶋H預(yù)報(bào)技術(shù)水平及成果使用要求的不同，預(yù)報(bào)精度會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T 22482-2008）對(duì)許可誤差主要有以下規(guī)定：

洪峰預(yù)報(bào)許可誤差。降雨徑流預(yù)報(bào)以實(shí)測(cè)洪峰流量的20%作為許可誤差；河道流量（水位）預(yù)報(bào)以預(yù)見(jiàn)期內(nèi)實(shí)測(cè)變幅的20%作為許可誤差。當(dāng)流量許可誤差小于實(shí)測(cè)值的5%時(shí)，取流量實(shí)測(cè)值的5%，當(dāng)水位許可誤差小于實(shí)測(cè)洪峰流量的5%所相應(yīng)的水位幅度值或小于0.10 m時(shí)，則以該值作為許可誤差。

峰現(xiàn)時(shí)間預(yù)報(bào)許可誤差。峰現(xiàn)時(shí)間以預(yù)報(bào)根據(jù)時(shí)間至實(shí)測(cè)洪峰出現(xiàn)時(shí)間之間時(shí)距的30%作為許可誤差，當(dāng)許可誤差小于3 h或一個(gè)計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)，則以3 h或一個(gè)計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)作為許可誤差。

表1 貴石溝水文站雙超產(chǎn)流模型參數(shù)率定成果表

表2 貴石溝水文站河道流量演算參數(shù)率定成果表

徑流深預(yù)報(bào)許可誤差。徑流深預(yù)報(bào)以實(shí)測(cè)值的20%作為許可誤差，當(dāng)該值大于20 mm時(shí)，取20 mm；當(dāng)小于3 mm時(shí)，取3 mm。

各控制點(diǎn)各場(chǎng)次洪水的評(píng)定結(jié)果，見(jiàn)歷史洪水過(guò)程模擬評(píng)定成果表3。

表3 貴石溝水文站各場(chǎng)次洪水模擬評(píng)定成果表

本次預(yù)報(bào)只對(duì)洪峰流量及峰現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行了分析，2016年8月24日洪峰，由于降雨不均且非全流域產(chǎn)流，導(dǎo)致模擬與現(xiàn)狀出現(xiàn)較大差值。其余都在允許誤差范圍內(nèi)，預(yù)報(bào)精度較為可靠。

4 問(wèn)題及建議

由于貴石溝水文站為新建水文站，歷史洪水及雨洪配套資料較少，對(duì)參數(shù)的選取上缺乏依據(jù)，導(dǎo)致預(yù)報(bào)精度的誤差偏離值較大。為進(jìn)一步提高洪水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，更好地為防洪減災(zāi)服務(wù)，須加大流域范圍內(nèi)各種資料調(diào)查工作的力度，優(yōu)化單元?jiǎng)澐?、?jié)點(diǎn)選定和參數(shù)率定等關(guān)鍵程序，用多種方法進(jìn)行計(jì)算結(jié)果比選，使洪水預(yù)報(bào)更及時(shí)結(jié)果更精準(zhǔn)。