賀江南豐水文站洪水預(yù)報(bào)方案分析

韓長(zhǎng)峰，陳仲橋，董 向

(廣東省水文局肇慶水文分局，廣東 肇慶 526060)

對(duì)于河道匯流和區(qū)間產(chǎn)流作為輸入，下游目標(biāo)斷面作為輸出的洪水預(yù)報(bào)方案，國(guó)內(nèi)外一直采用馬斯京根法加區(qū)間模型(新安江模型、單位線法等)并進(jìn)行不斷的修正。馬斯京根法是進(jìn)行河道演算的水文學(xué)方法，方法雖然簡(jiǎn)單但有一定的實(shí)用價(jià)值，所以至今仍被應(yīng)用，20世紀(jì)50年代以來我國(guó)對(duì)馬斯京根法的物理概念及其使用條件進(jìn)行了研究論證，對(duì)經(jīng)驗(yàn)單位線的基本假定與客觀實(shí)際情況不符所帶來的問題，采取了有效的處理方法，提出了適合各種不同運(yùn)用條件下的簡(jiǎn)易預(yù)報(bào)方法；新安江模型存在“異參同效”現(xiàn)象，在使用過程中需要不斷優(yōu)化。

為解決南豐水文站洪水預(yù)報(bào)方案精度問題，文中采用多種方法相互對(duì)比驗(yàn)證，取得的結(jié)果基本一致，并制作了較優(yōu)洪水預(yù)報(bào)方案，可應(yīng)用于預(yù)報(bào)作業(yè)。

1 概述

1.1 河流水系

賀江為西江左岸一級(jí)支流，集雨面積為11 536 km2，河長(zhǎng)為352 km，平均河床比降為0.471‰，發(fā)源于廣西富川縣黃沙嶺，經(jīng)廣西賀州市流入廣東境內(nèi)封開縣，于封開江口鎮(zhèn)匯入西江。流域大部分面積在廣西，境內(nèi)(廣東)面積為2 334 km2，占全流域面積的20.2%，河長(zhǎng)為128 km，100 km2以上支流共8條[1]。

流域水系及工程分布示意見圖1所示。

圖1 賀江流域水系及工程分布示意

1.2 調(diào)度現(xiàn)狀

合面獅水利樞紐集水面積為6 260 km2，位于廣西賀州市境內(nèi)，下游46 km為廣東省封開縣南豐水文站，根據(jù)《賀江洪水調(diào)度方案》，合面獅出庫(kù)達(dá)到2 500 m3/s或南豐水位達(dá)到35.5 m時(shí)，由賀州市防總和肇慶市防總視情況啟動(dòng)聯(lián)合會(huì)商，下達(dá)調(diào)度指令；合面獅入庫(kù)達(dá)到3 600 m3/s或南豐水位達(dá)到36.0 m時(shí)，珠江防總、廣西自治區(qū)防總和廣東省防總視情況啟動(dòng)聯(lián)合會(huì)商，下達(dá)調(diào)度指令，水文部門根據(jù)調(diào)度意見和實(shí)時(shí)雨水情況開展南豐水文站的洪水預(yù)報(bào)工作。賀江中下游主要水文站(合面獅以下)參數(shù)見表1。

表1 賀江中下游主要水文站參數(shù)[2](合面獅以下)

1.3 預(yù)報(bào)方案現(xiàn)狀

賀江為跨省河流，廣西境內(nèi)流域面積站流域總面積的79.2%，賀江洪水經(jīng)合面獅水庫(kù)調(diào)蓄后的最大泄量基本決定了南豐鎮(zhèn)河道洪水量級(jí)；區(qū)間集水面積50 km2以上的支流7條，區(qū)間降雨對(duì)南豐鎮(zhèn)河段洪峰量級(jí)的影響明顯。

歷史上沿用的洪水預(yù)報(bào)方案，一是南豐峰前3 d西山站雨量做參數(shù)的信都與南豐水位相關(guān)法[3]；二是合面獅泄洪流量與南豐水位估報(bào)相關(guān)法?，F(xiàn)有兩種方法都存在預(yù)見期短、精度一般的缺陷。

因洪峰傳播時(shí)間短，留給預(yù)報(bào)作業(yè)和人口轉(zhuǎn)移的時(shí)間有限，上下游電站調(diào)度流量組合情況復(fù)雜，現(xiàn)有方案難以取得較好精度，基于南豐水文站洪水預(yù)報(bào)現(xiàn)狀，尋找一種高精度、易操作的洪水預(yù)報(bào)方案非常必要。

2 主要研究?jī)?nèi)容

2014年以來，在國(guó)家防總的指導(dǎo)下，珠委防總會(huì)廣東、廣西防總啟動(dòng)聯(lián)合調(diào)度機(jī)制，水文部門根據(jù)調(diào)度指令中的未來合面獅泄洪流量和實(shí)時(shí)雨水情開展南豐水文站洪水預(yù)報(bào)作業(yè)，主要對(duì)南豐水文站洪峰出現(xiàn)時(shí)間、洪峰流量、洪峰水位進(jìn)行分析研判，從而支撐防洪決策。文中以下部分分別從傳播時(shí)間、洪峰流量、洪峰水位3個(gè)方面進(jìn)行研究分析。

2.1 傳播時(shí)間

1)馬斯京根法[4]

隨機(jī)抽取區(qū)間入流影響較小、洪水過程數(shù)據(jù)較完整的實(shí)測(cè)洪水3場(chǎng)，根據(jù)馬斯京根匯流原理，推算洪水傳播時(shí)間。

槽蓄方程：

W=KQ′=K[xI+(1-x)Q]

(1)

水量平衡方程：

(I1+I2)/2-(Q1+Q2)/2=(W2-W1)/Δt

(2)

式中K為蓄泄關(guān)系曲線坡度即傳播時(shí)間。

經(jīng)試算，其中20200608號(hào)洪水x=0.4時(shí)Q′與W線性關(guān)系較優(yōu)，K=ΔW/ΔQ′=(15 808-0)/(3 297-1 179)=7.5，即合面獅至南豐水文站洪峰傳播時(shí)間為7.5 h；20110508號(hào)洪水計(jì)算洪水傳播時(shí)間為7.3 h；20190614號(hào)洪水計(jì)算洪水傳播時(shí)間為5.5 h(見表2～3所示)。

表2 合面獅至南豐河段馬斯京根參數(shù)推算

表3 抽樣洪水試算馬斯京根法參數(shù)k、x成果

2)歷史洪水統(tǒng)計(jì)法

統(tǒng)計(jì)2007年以來合面獅26次泄洪中時(shí)間關(guān)系較明顯的場(chǎng)次18場(chǎng)(見表4)，洪峰傳播時(shí)間范圍為7～13 h，其中7 h 3場(chǎng)，8 h 4場(chǎng)，9 h 2場(chǎng)，10 h 3場(chǎng)，11 h 4場(chǎng)，12 h 1場(chǎng)，13 h 1場(chǎng)。

表4 歷史洪水洪峰傳播時(shí)間統(tǒng)計(jì)

3)經(jīng)驗(yàn)公式法

一般情況下，根據(jù)上下兩個(gè)斷面的平均流速和河段長(zhǎng)度計(jì)算洪水傳播時(shí)間。

曼寧公式:

C=n-1h2/3J1/2

(3)

謝才公式:

v=C(RJ)1/2

(4)

將公式(3)代入公式(4)，并用平均水深h代替水力半徑R，可得：

v=n-1h2/3J1/2

(5)

可以看出，洪水傳播速度與河床糙率、過水面積、平均水深、河道水面比降等因素有關(guān)。

南豐水文站以上區(qū)間河道彎多，石質(zhì)河床，糙率取0.04；平均水深選取6 m、7 m、8 m 3種(對(duì)應(yīng)水位和流量分別約為36 m、37 m、38 m；2 800 m3/s、3 300 m3/s、3 800 m3/s)，河段平均坡降為0.471‰，洪峰前后水面比降接近河床比降，可借用；根據(jù)南豐站不同洪水等級(jí)選擇3種平均水深進(jìn)行計(jì)算。

合面獅水庫(kù)至南豐水文站46 km，根據(jù)表5流速，計(jì)算洪峰傳播時(shí)間為5.9～7.1 h。

表5 合面獅水庫(kù)至南豐水文站洪水流速計(jì)算

2.2 流量計(jì)算

賀江南豐水文站洪峰流量主要由合面獅水庫(kù)泄洪流量加區(qū)間降雨匯流形成，合面獅水庫(kù)泄洪流量在傳播至南豐斷面過程中，需考慮坦化，故南豐水文站洪峰流量可用公式表示為：

Q南豐=f(L)Q合+f(P區(qū)間)

(6)

(7)

式中Q南豐為南豐水文站流量，m3/s；Q合為合面獅出庫(kù)流量，m3/s；j為坦化系數(shù)；k′為區(qū)間降雨產(chǎn)生的流域出口流量系數(shù)；P區(qū)間為南豐水文站峰前48 h區(qū)間造峰雨量，mm。

采用南豐水文站建站以來合面獅26場(chǎng)泄洪資料、對(duì)應(yīng)的南豐水文資料和區(qū)間降雨分析計(jì)算k′，j值。

選用信都、扶隆、南豐、西山、大水口5個(gè)雨量代表站，計(jì)算南豐峰前48 h內(nèi)造峰雨量，算術(shù)平均法計(jì)算平均值(見表6)。

表6 區(qū)間平均降雨量計(jì)算

選取區(qū)間降雨較小的洪水場(chǎng)次，初步計(jì)算坦化系數(shù)j值為0.92～0.97。經(jīng)試算，當(dāng)j值為0.94，k′值為7時(shí)，26個(gè)樣本中，計(jì)算流量正偏離13個(gè)；負(fù)偏離13個(gè)；相對(duì)誤差絕對(duì)值≤10%的樣本24個(gè)，保證率92.3%；相對(duì)誤差絕對(duì)值≤20%的樣本26個(gè)，保證率100%?？傮w樣本確定性系數(shù)DC為0.96[5]，屬洪水預(yù)報(bào)甲等方案[6](見表7)。

表7 參數(shù)分析

2.3 水位預(yù)報(bào)

選用南豐水文站建站以來，合面獅26次泄洪的南豐水文站相應(yīng)洪水水位流量資料，建立水位流量相關(guān)圖[7]。因低水部分受電站調(diào)度影響關(guān)系散亂，同時(shí)南豐水文站水位在36.0 m以下基本上不需啟動(dòng)洪水預(yù)報(bào)作業(yè)，因此在南豐站水位在36.0 m以上，洪峰流量在2 500 m3/s以上13場(chǎng)洪水資料系列中，以起漲水位33.7 m和34.6 m外包，建立以起漲水位為參數(shù)的4條關(guān)系線，起漲水位分別為33.7 m、34.0 m、34.3 m、34.6 m。其中2010年6月15日20：00，南豐水位站洪峰水位為38.02 m，相應(yīng)流量為3 520 m3/s，經(jīng)查閱當(dāng)時(shí)資料進(jìn)行分析，該流量偏小，作為特殊值處理(如圖2所示)。

圖2 南豐水文站水位預(yù)報(bào)相關(guān)示意

3 結(jié)語(yǔ)

1)馬斯京根法計(jì)算樣本偏少，分析結(jié)果為5.5～7.5 h，供參考；歷史洪水統(tǒng)計(jì)法統(tǒng)計(jì)洪水傳播時(shí)間為7～13 h；經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算洪水傳播時(shí)間為5.9～7.1 h。綜合考慮河道特點(diǎn)、洪水組合以及工程調(diào)度影響，建議該河段洪水傳播時(shí)間采用7 h。

2)通過分析洪峰水位和流量關(guān)系，以起漲水位33.7 m和34.6 m外包，得出南豐水文站起漲水位分別為33.7 m，34.0 m，34.3 m，34.6 m 4種情況下的洪峰流量與相應(yīng)水位關(guān)系圖。

3)雖然流量誤差確定性系數(shù)0.96，達(dá)到洪水預(yù)報(bào)方案甲等等級(jí)，但是區(qū)間造峰雨流量相關(guān)系參數(shù)k′值為7.0，概化程度較高，未考慮前期降雨、時(shí)空分布、匯流時(shí)間等因素，使用時(shí)需綜合考慮。

4)馬斯京根法試算得出參數(shù)k、x值，但樣本數(shù)量有限，建議參考使用，馬斯京根法可作為第二方案對(duì)比使用。