榆社水文站控制流域洪水預(yù)報(bào)方案研究

邢曉東

（晉中市水文水資源勘測(cè)分局）

1 流域概況

1.1 自然地理

榆社水文站位于濁漳河北源，控制流域面積698.79 km2。流域群山環(huán)繞，山巒疊嶂，北高南低，東西高中間低。流域海拔一般1 000-1 400m，最高峰全榆洼頂海拔2 020m。流域地貌大體可分為石質(zhì)山區(qū)、土石山區(qū)，間或黃土丘陵。石質(zhì)山區(qū)主要分布在流域分水嶺邊緣地帶，面積約占控制流域面積40%；黃土丘陵區(qū)主要分布在雙峰以南及各支流下游兩岸，面積約占27%；土石山區(qū)介于上述兩類地貌之間，面積約占33%。大部分石質(zhì)山區(qū)被森林與灌木雜草群落覆蓋，水土流失輕微；土石山區(qū)以雜草和零星灌木為主，植被覆蓋較差，水土流失較為嚴(yán)重；黃土丘陵區(qū)為主要農(nóng)作區(qū)，以農(nóng)田植被為主，水土流失在流域中最為嚴(yán)重。流域北部的石源林場，面積約50 km2，占總面積7.1%。沿河兩岸，分布有生長較好的小塊闊葉林。黃土主要分布在沿河谷及山麓地帶，山坡、山頂多為出露的砂巖地層。

1.2 氣象要素

榆社水文站控制流域?qū)贉貛Т箨懶詺夂颍昶骄鶜鉁?℃，極端最高氣溫37℃，極端最低氣溫-24℃。年均降水量577.1mm，年最大降水量876.1mm（1977年），年最小降水量315.4mm（1972年）；7-8月降水量290.1mm，占年降水量50.3%；汛期多暴雨，易發(fā)生洪水危害。年均蒸發(fā)量1 716.43mm，無霜期約160 d。主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)是十年九旱，旱澇交替。

1.3 河流水文

榆社水文站控制流域河流水系參見圖1。除濁漳河北源干流外，主要支流為龍門河、官上河、武源河和泉水河。濁漳北源俗稱縣河，為榆社縣最大河流，境內(nèi)全長72.2 km，流域面積1 747.2 km2，河床縱坡6.6‰；龍門河全長17 km，流域面積69.3 km2，河床縱坡16.47‰；官上河全長17 km，流域面積75.5 km2，河床縱坡15.06‰；武源河全長20 km，流域面積69.5 km2，河床縱坡8.43‰；泉水河全長38 km，流域面積205 km2，河床縱坡6.12‰。自1957年6月設(shè)水文站以來，最大洪水發(fā)生于1970年8月10日，洪峰流量1 190m3/s；1998年7月12日，發(fā)生了遷站以來的最大洪水，洪峰流量1 040m3/s，相應(yīng)水位998.30m，水面寬115m，最大水深2.50m，最大流速8.19m/s。另外，在1962、1967、1996和2006年，也發(fā)生了建站以來的較大洪水，洪峰流量達(dá)787-965m3/s。調(diào)查歷史最大洪水，發(fā)生于1930年，洪峰流量2 340m3/s；其次為1931年7月洪水，洪峰流量1 508m3/s。據(jù)資料，1961-2009年間，汛期5-10月共發(fā)生過18次洪災(zāi)，損失慘重。1963年7月23日，全縣遭暴雨襲擊，0.5 h降雨59mm，莊稼被淹563.2 hm2，倒伏1 733.3 hm2，成災(zāi)面積3 133.3 hm2；1976年8月20日至21日，榆社縣普降大暴雨，作物受災(zāi)面積4 693.3 hm2，倒塌房屋2 100間，死亡6人，沖走樹木2萬株，公路橋梁損壞嚴(yán)重；1996年8月4日，榆社縣8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)58個(gè)村莊降暴雨，山洪暴發(fā)，濁漳河上游流量660m3/s，城關(guān)流量達(dá)1 100m3/s，沖垮河岸堤壩40多處，新開發(fā)的大面積灘涂良田被沖淹；2008年5月9日，云竹、社城、河峪、北寨等鄉(xiāng)鎮(zhèn)遭暴雨冰雹襲擊，農(nóng)田受災(zāi)面積2 860 hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失4 800余萬元。

1.4 水利工程

榆社水文站控制流域的主要水利工程為雙峰水庫，大壩位于濁漳河北源社城鎮(zhèn)雙峰村上游，控制流域面積190.2 km2，流域長度26.2 km，平均寬度7.26 km，河道縱坡23.66‰。在控制流域面積中，森林面積78.75 km2，占41.4%；石質(zhì)山區(qū)面積88.76 km2，占46.7%；土石山區(qū)和黃土丘陵區(qū)面積22.69 km2，占11.9%。流域內(nèi)植被覆蓋較好，水土流失不甚嚴(yán)重。雙峰水庫于1975年5月批準(zhǔn)興建。原設(shè)計(jì)為中型水庫，樞紐由攔河壩、泄洪洞與溢洪道組成，后因資金等方面的原因，多次停工續(xù)建，直至2005年10月10日續(xù)建驗(yàn)收，由縣水利局管理?，F(xiàn)總庫容1 503.5萬m3，其中興利庫容882萬m3，死庫容310萬m3。水庫壩高20m，壩長210.15m，壩型為均質(zhì)土壩；河岸開敞式梯形溢洪道，底寬30m，長度210.15m；城門型泄洪洞，長度198.8m，寬×高為4.3m×5.1m；塔式輸水，輸水管道長度260m，孔口寬×高為1.2m×1.2m。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)100 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)1 000 a一遇。具有防洪、供水和灌溉功能，年供水量445.8萬m3，灌溉農(nóng)田233.3 hm2。

1.5 水文站網(wǎng)

榆社水文站控制流域內(nèi)有水文站1處（石棧道），雨量站17處（水文部門管理的雨量站10處，縣水利局管理的雨量站7處）。其上游泉水河建有山洪水位站1處。各水文站點(diǎn)分布及河流水系情況見圖1。

1.5.1 水文站

圖1 榆社水文站控制流域站點(diǎn)分布及河流水系圖

榆社水文站位于箕城鎮(zhèn)太邢西街，地理位置東經(jīng)112°58′，北緯37°04′。所屬河流為海河流域南運(yùn)河水系濁漳北源，發(fā)源于榆社縣社城鎮(zhèn)焦紅寺大牛村，自北向南縱貫全縣。其河長45.5 km，平均河寬154m。流域地貌屬土石山區(qū)，巖石為砂頁巖。流域土壤除沿河兩岸為沙性土外，其余均為壤土和黏土，土質(zhì)較好，適宜農(nóng)作種植。流域內(nèi)植被覆蓋較低，水土流失較為嚴(yán)重。

該站設(shè)立于1957年6月。1971年1月，因修鐵路影響下遷2 km至縣城北門外，稱為石棧道（二）站，1997年更名榆社水文站，是太行山漳河北源迎風(fēng)面土石山區(qū)的區(qū)域代表站。

測(cè)驗(yàn)河段較順直。其上1 800m處為榆太公路橋，約200m處有一彎道，水流受橋及彎道影響，致使主流經(jīng)常擺動(dòng)。兩岸山坡坡腳均修有公路。河床由細(xì)沙組成，沖淤變化劇烈，并有分流、斜流現(xiàn)象。1978年在右岸河道內(nèi)造堤將河道束窄，并沿河建砌石護(hù)岸。其下1 750m處，于2004年5月建有橡膠壩一座，蓄水時(shí)對(duì)水位有影響，造成水位高、流量小。測(cè)驗(yàn)斷面縱斷面見圖2。

圖2 榆社水文站縱斷面圖（2014年5月29日）

1.5.2 水位站

流域內(nèi)僅有趙王1處水位站，站碼31008240，位于泉水河上北寨鄉(xiāng)趙王村，由榆社縣水利局于2014年6月設(shè)立。

1.5.3 雨量站

控制流域內(nèi)現(xiàn)設(shè)有雨量站17處，皆為自記雨量站，有關(guān)基本情況詳見表1。

2 洪水預(yù)報(bào)方案編制方法研究

洪水預(yù)報(bào)方案編制，是應(yīng)用合理的預(yù)報(bào)模型和方法，根據(jù)流域特征及降水情況，預(yù)報(bào)流域斷面河段洪水來勢(shì)，以便采取措施積極應(yīng)對(duì)洪水，避免洪災(zāi)發(fā)生或盡最大努力減小災(zāi)情損失的一項(xiàng)工作。在編制方法上，根據(jù)流域下墊面屬性差異、降雨產(chǎn)流隨機(jī)性、流域形狀、雨量站點(diǎn)分布以及現(xiàn)有預(yù)報(bào)模型應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，選用水文模型單元產(chǎn)流、匯流法進(jìn)行預(yù)報(bào)方案編制。即：首先，將控制流域分成若干個(gè)產(chǎn)匯流計(jì)算單元，分別計(jì)算產(chǎn)流量和匯流量，得出單元面積的出流過程；然后，將單元面積的出流過程按河系串聯(lián)，從上向下依次演算；最后，求得榆社水文站斷面的洪水過程。這種方法的好處：一是將降雨、產(chǎn)流空間的不均勻性，通過單元?jiǎng)澐钟枰匀趸?；二是將河網(wǎng)內(nèi)各處的調(diào)節(jié)能力的差異，通過分河段匯流演算予以均化；三是物理概念清楚，有利于提高預(yù)報(bào)成果精度。

表1 榆社水文站控制流域雨量站一覽表

2.1 單元?jiǎng)澐?/h3>

在單元?jiǎng)澐稚?，綜合考慮流域特性相近、水系完整、暴雨特性差異不大等情況，充分應(yīng)用現(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，盡可能使每個(gè)單元都有代表性的雨量資料。本方案將榆社水文站控制流域，共劃分為12個(gè)單元，各單元情況詳見表2。

表2 榆社水文站控制流域產(chǎn)匯流單元?jiǎng)澐智闆r表

2.2 節(jié)點(diǎn)選定

為了反映流域的連通性，便于分析流域的洪水來源，為地方防洪減災(zāi)提供服務(wù)，在單元?jiǎng)澐只A(chǔ)上，進(jìn)一步確定出6個(gè)節(jié)點(diǎn)，用以在預(yù)報(bào)方案編制中顯示各節(jié)點(diǎn)的洪水信息。單元分區(qū)及節(jié)點(diǎn)位置見圖3。

圖3 榆社水文站控制流域洪水預(yù)報(bào)單元分區(qū)示意圖

2.3 方案說明

A1單元和A7單元為雙峰水庫控制流域，水庫至2009年建成以來：若未正常運(yùn)行，該單元仍進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算；如果水庫正常運(yùn)行后，應(yīng)改變預(yù)報(bào)方案，直接引用雙峰水庫（即1001節(jié)點(diǎn)）的流量過程；若水庫正常運(yùn)行后有泄洪過程，則1001節(jié)點(diǎn)產(chǎn)匯流按0處理，不進(jìn)行河道演算。

A1單元和A7單元產(chǎn)匯流計(jì)算結(jié)果成為1001節(jié)點(diǎn)，通過水庫提供泄洪量作為入流量；A8單元和A9單元產(chǎn)匯流計(jì)算結(jié)果，成為1002節(jié)點(diǎn)；1002節(jié)點(diǎn)通過河道演算至官上河入濁漳北源處，與A2單元和A11單元的產(chǎn)匯流計(jì)算結(jié)果疊加，成為1003節(jié)點(diǎn)；1003節(jié)點(diǎn)通過河道流量演算至武源河入濁漳北源處，與A3單元和A12單元產(chǎn)匯流計(jì)算結(jié)果疊加，成為1004節(jié)點(diǎn)；1004節(jié)點(diǎn)通過河道演算與A6單元和A10單元產(chǎn)匯流計(jì)算結(jié)果，再與1005節(jié)點(diǎn)（A5單元產(chǎn)匯流計(jì)算結(jié)果作為1005節(jié)點(diǎn)）通過河道演算與A4單元產(chǎn)匯流計(jì)算結(jié)果疊加，成為1006節(jié)點(diǎn)（1006節(jié)點(diǎn)到出河口榆社站距離較近故不進(jìn)行河道演算）的流量過程，即為榆社水文站流量、洪量過程。劃分的12個(gè)單元和6個(gè)節(jié)點(diǎn)，相互間的關(guān)系與方案編制流程見圖4。

2.4 資料選用與處理

圖4 榆社水文站洪水預(yù)報(bào)方案編制流程圖

榆社水文站洪水預(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。對(duì)近8a的大洪水資料，在建立預(yù)報(bào)方案（率定或檢驗(yàn)）時(shí)均予以選用。以上所有水文站和雨量站均為國家基本站網(wǎng)，資料經(jīng)過審查和驗(yàn)收后形成匯編，具有較高的可靠性。

2.4.1 資料收集

榆社水文站在洪水預(yù)報(bào)方案編制中收集的資料如下：

（1）水文站以上流域內(nèi)7處雨量站自設(shè)站至2017年的降水量摘錄資料和日降水量資料；

（2）自水文設(shè)站至2017年的洪水摘錄資料和日均流量資料；

（3）水文站1967-2017年水面蒸發(fā)量觀測(cè)資料；

（4）水文站控制流域歷次暴雨洪水調(diào)查資料；

（5）流域的地質(zhì)、水文地質(zhì)和植被等資料及圖件；

（6）劃分的各單元流域特征值，如河長、河道比降、流域面積等，在大比例尺地形圖上進(jìn)行了重新量算；

（7）用泰森多邊形法，對(duì)流域內(nèi)各雨量站面積權(quán)重進(jìn)行了量算。

2.5.2 資料處理

在洪水預(yù)報(bào)方案編制過程中，從水文站觀測(cè)整編的資料中挑選出場次洪水，并對(duì)各雨量站所對(duì)應(yīng)各場次洪水的雨量以及前15 d的雨量，按時(shí)段1 h進(jìn)行摘錄。對(duì)于跨時(shí)段觀測(cè)或人工觀測(cè)資料，結(jié)合周邊自記站的降水過程和強(qiáng)度，進(jìn)行等時(shí)段分析處理。在資料整理過程中，為了模型參數(shù)率定科學(xué)合理，通過點(diǎn)繪每場暴雨洪水過程線圖，分析場次暴雨洪水的雨區(qū)分布、徑流系數(shù)、產(chǎn)流面積、產(chǎn)流特點(diǎn)等，以保證每場雨洪配套較好。最終選用雨量分布均勻、雨洪配套較好的典型洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)模型參數(shù)率定。

3 預(yù)報(bào)參數(shù)率定及合理性分析

榆社水文站洪水預(yù)報(bào)方案精度評(píng)定，按《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》進(jìn)行。方案或模型的確定性系數(shù)，是考量洪水預(yù)報(bào)過程與實(shí)測(cè)洪水過程吻合程度的重要指標(biāo)。

3.1 參數(shù)率定及成果

概念性水文模型參數(shù)，分為物理參數(shù)與過程參數(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，是客觀的不需要率定；過程參數(shù)代表著流域不能直接測(cè)量的物理特性，具有一定的主觀性，因此必須進(jìn)行率定。過程參數(shù)率定的主要依據(jù)，為洪水預(yù)報(bào)過程與實(shí)測(cè)洪水過程的吻合程度。

3.1.1 參數(shù)率定

榆社水文站控制流域共劃分為12個(gè)單元和6個(gè)節(jié)點(diǎn)，由于流域內(nèi)原有雨量站點(diǎn)稀少，觀測(cè)雨量的代表性差,很多雨量站觀測(cè)段次不能滿足預(yù)報(bào)要求，再加上所選用的洪水場次較少，故很難精確率定過程參數(shù)。

本次洪水預(yù)報(bào)方案編制共選用7場次雨洪配套資料。為降低過程率定難度，首先，對(duì)流域內(nèi)的暴雨中心和暴雨走向資料進(jìn)行分析，合理分配時(shí)段雨量，調(diào)整各雨量站所占的權(quán)重；然后，以預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，將差別控制在允許誤差范圍內(nèi)或最為接近時(shí)，進(jìn)行各單元參數(shù)調(diào)試。

表3 雙超模型洪水預(yù)報(bào)參數(shù)率定成果表

（1）率定步驟。流域模型參數(shù)的率定，大致分為以下三步：①前期準(zhǔn)備，如流域分塊，選擇雨量和流量站點(diǎn)，資料的錄入和處理等；②建立子流域輸入文件，并初步確定參數(shù)值；③運(yùn)行計(jì)算程序進(jìn)行成果分析，調(diào)整參數(shù)，反復(fù)演算，直至滿意。

（2）率定原則。由于榆社水文站控制流域的下墊面情況比較單一，除12單元下墊面情況有所變化以外，其他單元地類相似，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)。同時(shí)，充分應(yīng)用《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》中的分析成果，包括流域吸收率、導(dǎo)水率、流域水文下墊面圖等。在具體進(jìn)行參數(shù)率定時(shí)，首先選擇近期雨量和流量資料控制較好、觀測(cè)精度較高的場次洪水進(jìn)行，為早期洪水參數(shù)率定積累經(jīng)驗(yàn)。

3.1.2 率定結(jié)果

本次洪水預(yù)報(bào)方案，共選用7場次洪水過程進(jìn)行參數(shù)率定，其中有5場洪水（20090716、20100808、20100809、20100811、20120731）擬合相對(duì)較好，其參數(shù)需要在今后的工作實(shí)踐中不斷修定。限于篇幅，本文僅給出20100809次暴雨洪水實(shí)測(cè)與模擬洪水過程線對(duì)比圖（圖5）。各單元產(chǎn)匯流參數(shù)率定結(jié)果見表3，河道演算參數(shù)結(jié)果見表4。

3.2 合理性分析

洪水預(yù)報(bào)精度評(píng)定的項(xiàng)目，主要包括洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間、徑流深等。許可誤差是依據(jù)預(yù)報(bào)成果的使用要求和實(shí)際預(yù)報(bào)技術(shù)水平等綜合確定的。由于預(yù)報(bào)方法和預(yù)報(bào)要素不同，《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》對(duì)許可誤差的規(guī)定如下：（1）洪峰預(yù)報(bào)。降雨徑流20%，河道流量5%-20%，水位小于0.10m；（2）峰現(xiàn)時(shí)間預(yù)報(bào)。30%，以3 h作為計(jì)算時(shí)段長。

表4 榆社水文站控制河道主要節(jié)點(diǎn)演算參數(shù)成果表

圖5 榆社水文站20100809號(hào)洪水模擬與實(shí)測(cè)過程線比較圖

各控制點(diǎn)各場次洪水模擬的評(píng)定結(jié)果見表5和表6。由表5可知，模擬預(yù)報(bào)的7次洪水：洪峰誤差在3.0%-34.5%之間，有5次合格，2次不合格，總體合格率為71.43%；洪量誤差在0.8%-124.3%之間，有2次合格，5次不合格，總體合格率為28.57%。洪量模擬效果較差。由表6可以看出，模擬預(yù)報(bào)的7次洪水，峰現(xiàn)時(shí)間誤差均為0-3 h，全部合格。

表5 榆社水文站洪水預(yù)報(bào)方案場次洪峰流量與洪水總量比較表

表6 榆社水文站洪水預(yù)報(bào)方案場次峰現(xiàn)時(shí)間比較表

4 存在問題與建議

4.1 存在問題

（1）在本次洪水預(yù)報(bào)方案編制過程中，由于雨洪配套資料太少，給系統(tǒng)分析帶來了很大困難，直接影響了參數(shù)的率定。究其原因，主要是由于20世紀(jì)60-70年代以前，洪水比較多，但當(dāng)時(shí)的雨量站數(shù)量過少，且多為人工觀測(cè)，難以滿足預(yù)報(bào)要求；而80年代以后，雖然區(qū)域站網(wǎng)建設(shè)和改造不斷進(jìn)行，雨量站自記化程度也在逐步提高，雨量資料逐漸完善，但隨著氣候和下墊面條件的改變，全區(qū)性大暴雨或局部暴雨在逐漸減少，致使發(fā)生洪水的幾率也相應(yīng)減小。

（2）根據(jù)規(guī)范規(guī)定，一個(gè)區(qū)域洪水預(yù)報(bào)方案編制，分析的洪水場次不應(yīng)低于25次，但本次參數(shù)率定所選用的洪水僅有7場次，不符合規(guī)范要求。

（3）本次洪水預(yù)報(bào)演算時(shí)段為1 h，對(duì)于陡漲陡落不足1 h的洪水，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差很大。

4.2 幾點(diǎn)建議

（1）預(yù)報(bào)誤差評(píng)定結(jié)果顯示，由于流域內(nèi)的參數(shù)率定方案不完善，每場洪水的各參數(shù)也不穩(wěn)定，需要不斷調(diào)整，誤差才能達(dá)到期望目標(biāo)，建議在今后的預(yù)報(bào)中其參數(shù)需要不斷修正和調(diào)整。

（2）由于對(duì)流域的地形地貌、產(chǎn)流特性和洪水特性等情況了解不夠全面，率定參數(shù)時(shí)依據(jù)太少，建議對(duì)流域情況進(jìn)行全面詳細(xì)調(diào)查。

（3）建議適當(dāng)增加雨量站點(diǎn)密度，以彌補(bǔ)空白地區(qū)降水資料，以便為洪水預(yù)報(bào)提供可靠依據(jù)。