大洋河洪水預(yù)報技術(shù)研究

張 靜

（盤錦市水利服務(wù)中心,遼寧 盤錦 124010）

1 概述

1.1 流域概況

大洋河流域位于遼寧省東部，降水受西太平洋暖濕空氣及地形的影響，時空分布不均。降水量分布自西向東增加（多年平均降水量800 mm～1200 mm），年際變化大，年內(nèi)集中在6 月～9 月（約占全年的76%～79%）。

全長230.2 km，是遼東半島地區(qū)最大的獨流入海河流。上游分為東、西兩支，西支為東洋河，發(fā)源于岫巖縣西北部偏嶺鄉(xiāng)的唐望山；東支為哨子河，發(fā)源于岫巖縣北部的古洞嶺。一般河寬300 m～400 m，河道平均坡度為1.1‰。水系發(fā)育良好，因河水流量大如汪洋之意而得名。

流域呈扇形形狀，流域面積6554 km2，地勢西高東低，多山峰丘陵。土壤多為山石土和淤土，有輕度侵蝕，植被覆蓋度40%～60%。大洋河流域?qū)偕刃紊絽^(qū)型流域，加之降水時空分布不均，洪水具有集流時間短，來勢迅猛的特點，洪峰暴漲暴落。

河流流經(jīng)岫巖縣、鳳城市、東港市和大孤山經(jīng)濟(jì)區(qū)等重要縣區(qū)，一旦發(fā)生洪澇災(zāi)害必然帶來較大損失，因此在現(xiàn)有防洪工程的基礎(chǔ)上研究該流域洪水預(yù)報技術(shù)，對構(gòu)建大洋河洪水防治體系具有重大意義。

1.2 工程設(shè)施

大洋河工程設(shè)施主要包括水文站網(wǎng)、水庫、防洪工程等?，F(xiàn)有岫巖、沙里寨和龍王廟3 處水文站?；厩闆r見表1。

表1 大洋河水文站基本情況

干、支流上建有土門子大型水庫；黑山、羅圈背、刁家壩、廉家壩4 座中型水庫；前營、自由、江山頭、小甸子、臥龍趙、唐家隈子、躍進(jìn)7 座小（一）型水庫。

防洪工程措施主要包括：在上游山區(qū)封山育林，涵養(yǎng)水源；在中游支流修建水庫，攔洪削峰，調(diào)蓄水量；上下游修建護(hù)岸、防洪堤、防潮堤，保護(hù)農(nóng)田，已經(jīng)初步形成以堤防為主的防洪體系。

1.3 研究內(nèi)容

研究大洋河岫巖站、沙里寨站、龍王廟站洪水預(yù)報模型。依據(jù)大洋河流域預(yù)報方案和洪水預(yù)報系統(tǒng)要求，建立大洋河流域洪水預(yù)報水文模型，進(jìn)行基于河、庫、站的流域聯(lián)合預(yù)報。

2 洪水預(yù)報

采用基于水文模型和網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過算法和邊界條件的人機交互，實現(xiàn)洪水預(yù)報。

2.1 水文模型構(gòu)建

2.1.1 雙層指數(shù)模型

根據(jù)流域內(nèi)各點包氣帶的蓄水容量不同的特點，繪成流域蓄水容量曲線。在雙層指數(shù)模型中，采用指數(shù)形式的蓄水容量曲線，見式（1）。

式中：F 為流域面積；F0為產(chǎn)流面積；a 為流域參數(shù)，反映流域蓄水容量分布特征；P 為降水量。

本模型所用飽和產(chǎn)流計算公式為：

式中：R 為徑流深；P 為降雨量；Pa為前期影響雨量；a 為流域參數(shù)。

匯流過程為流域上的地面凈雨、表層凈雨和地下凈雨轉(zhuǎn)化為流域出口斷面流量的過程。本模型的匯流采用單位線法。

2.1.2 三水源新安江模型

模型包括蒸散發(fā)計算、產(chǎn)流量計算和分水源計算三部分。本研究采用分布式三水源新安江模型，將大洋河流域劃分為多塊單元，通過產(chǎn)匯流計算得出單元出流過程；進(jìn)行出口以下的河道洪水演算，獲得流域出流過程；最后將各單元的出流過程相加，得到流域總出流過程。

模型蒸散發(fā)計算采用三層蒸發(fā)模式，產(chǎn)流計算采用蓄滿產(chǎn)流模型。蓄水容量線型為拋物線型。

式中：f 為產(chǎn)流面積；F 為總流域面積；W 為已產(chǎn)流面積的蓄水容量；WM 為流域平均蓄水容量；b 為參數(shù)。

根據(jù)式（3）可推出流域最大張力水容量為：

流域張力水蓄水容量為：

流域產(chǎn)流量為：當(dāng)P-K×EM+A

當(dāng)P-K×EM+A≥WM 時（全流域蓄滿），

式中：R 為產(chǎn)流量；P 為降水量；K 為蒸散發(fā)折算系數(shù)；EM 為流域蒸發(fā)能力。

水源劃分通過自由水蓄水庫進(jìn)行，匯流模型的三水源采用線性水庫法。

2.2 流域洪水模擬預(yù)報

在前述水文模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行流域水系河庫聯(lián)合洪水預(yù)報。

2.2.1 邊界條件

流域洪水模擬預(yù)報一般涉及降雨量及其時空分布、下墊面條件（流域蓄水量）、水庫防洪調(diào)度規(guī)程、河道行洪能力等諸多因素。為便于實際應(yīng)用，本研究對這些邊界條件及因素進(jìn)行概化，經(jīng)過分析最終確定洪水模擬預(yù)報條件的邊界條件。

（1）流域蓄水量情況分為：飽和、半飽和。

（2）24 h 面降雨量設(shè)置分為：P=50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm，時程分布見表2。

表2 雨量時程分布(Δt=3 h)

（3）大型水庫按“汛限水位、死水位”與“汛限水位平均值”調(diào)洪；中小型水庫按“汛限水位、死水位”進(jìn)行調(diào)洪。

2.2.2 技術(shù)方法

本研究主要使用經(jīng)驗預(yù)報模型和數(shù)學(xué)預(yù)報模型。經(jīng)驗預(yù)報模型涉及降雨徑流相關(guān)、上下游水位（流量）相關(guān)、河道經(jīng)驗演算系數(shù)等方法。數(shù)學(xué)預(yù)報模型使用雙層指數(shù)模型和新安江模型。

3 應(yīng)用實例

3.1 資料準(zhǔn)備

降雨徑流資料來源于1966 年～2012 年系列水文年鑒。岫巖站流域平均雨量采用石灰窯、王家堡子和岫巖三站算術(shù)平均計算；沙里寨站流域平均雨量選取黃花甸子、谷家店、王家堡子、石灰窯、白家、岫巖、文家街、沙里寨8 處雨量站用算術(shù)平均法計算。各站蒸發(fā)計算均同岫巖站。徑流深使用實測洪水過程割去基流和前期退水過程，再逐時段累計。流域日蒸散發(fā)能力、蒸散發(fā)折算系數(shù)從《遼河流域?qū)嵱煤樗A(yù)報方案》中獲取。

3.2 水文模型構(gòu)建

本研究使用的水文模型包括雙層指數(shù)模型和三水源新安江模型。按2.1 節(jié)構(gòu)建流域水文模型，并進(jìn)行參數(shù)率定。本文以大洋河沙里寨站為例，闡述各類模型產(chǎn)匯流模塊中參數(shù)的率定方法。

3.2.1 雙層指數(shù)模型

大洋河流域?qū)儆跐駶櫟貐^(qū)，下墊面上層為枯枝落葉層，易蓄滿，與指數(shù)曲線不完全相符。鑒于此，將下墊面分為兩層，上層按蓄滿產(chǎn)流計算，下層按指數(shù)模型計算。雙層指數(shù)模型產(chǎn)流參數(shù)包括流域蓄水容量Im，上層蓄水容量Sup，上層系數(shù)b。經(jīng)率定，參數(shù)選為Im=110 mm，Sup=30 mm，b=0.25。

依據(jù)2.1 節(jié)方法進(jìn)行匯流計算，共分析了5 條單位線（如圖1 所示）。在進(jìn)行洪水預(yù)報時可根據(jù)實時降雨的雨型、降雨強度和暴雨中心位置等情況綜合考慮，選擇適當(dāng)?shù)膯挝痪€進(jìn)行計算。

圖1 大洋河流域匯流單位線

3.2.2 三水源新安江模型

大洋河流域最大蓄水量Wm采用110 mm，流域蓄水量W0采用單層計算的方法，計算公式為：

式中：K 為蒸散發(fā)折算系數(shù)；Pt為凈雨量。W0的計算日期是從每年的6 月1 日開始，以5 月上旬雨量的三分之一和五月中下旬雨量的三分之二之和作為W0的起始值。W0的上限以Wm控制。

流域的蓄水容量曲線采用b 次拋物線型。本流域b 值采用0.3。

根據(jù)上述參數(shù)計算并點繪P-W0-R 降水徑流相關(guān)圖，模型關(guān)系線與實際點據(jù)配合較好。用1966 年～2012 年中16 次洪水資料進(jìn)行校核，徑流深方案合格率為81.2%。

匯流采用三水源滯后演算模型。坡地匯流階段，地面徑流直接進(jìn)入河網(wǎng)；壤中流經(jīng)過水庫消退作用入流河網(wǎng)；地下徑流經(jīng)地下蓄水庫的消退入流河網(wǎng)。各種水源的河網(wǎng)匯流特性均主要受制于河槽水力學(xué)條件，三者之和經(jīng)滯后演算法匯流至單元出口斷面。河道匯流采用分段馬斯京根連續(xù)演算法，將各單元出口流量演算至流域出口，再疊加。

三水源新安江模型率定后的產(chǎn)匯流參數(shù)見表3（以沙里寨站為例）。

表3 大洋河沙里寨站三水源新安江模型產(chǎn)匯流參數(shù)

3.3 流域洪水預(yù)報

按2.2 節(jié)進(jìn)行“以流域干流為主線、以水庫和河道水文站為控制節(jié)點”的流域水系河庫聯(lián)合洪水模擬預(yù)報。以土門子水庫（大型）和大洋河沙里寨水文站為例，模擬預(yù)報成果見表4、表5。

表4 土門子水庫洪水預(yù)報成果

表5 大洋河沙里寨站洪水模擬預(yù)報成果

4 結(jié)論

本文使用雙層指數(shù)模型、三水源新安江模型構(gòu)建大洋河各站洪水預(yù)報方案。依據(jù)大洋河流域預(yù)報方案和洪水預(yù)報系統(tǒng)要求，以大洋河干流為主、以干、支流水文站點為節(jié)點，建立大洋河流域洪水預(yù)報水文模型，為大洋河流域的河、庫、站聯(lián)合預(yù)報、全流域水系河庫洪水模擬預(yù)報提供參考。未來可據(jù)此進(jìn)一步進(jìn)行實時預(yù)報與洪水預(yù)警相關(guān)研究，最終構(gòu)建洪水預(yù)報實時系統(tǒng)。