基于中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的周官屯穿運(yùn)樞紐洪水預(yù)報(bào)研究

□王艷麗

周官屯穿運(yùn)樞紐工程是子牙新河、北排河與南運(yùn)河的交叉行洪工程，興建的主要目的，是為了妥善解決3 條河流之間交叉行洪的復(fù)雜矛盾，且有效調(diào)節(jié)南運(yùn)河水量，是滄州市防汛重點(diǎn)關(guān)注的預(yù)報(bào)斷面，通過(guò)建立適用于小水(主槽行洪)和大水(漫灘行洪)的洪水預(yù)報(bào)模型，可應(yīng)用于洪水作業(yè)預(yù)報(bào)，對(duì)子牙新河周官屯樞紐洪水期防汛調(diào)度尤為重要。

1.研究概況

周官屯穿運(yùn)樞紐工程是子牙新河、北排河與南運(yùn)河的交叉行洪工程，位于滄州青縣周官屯村南與馮官屯之間，由南運(yùn)河節(jié)制閘、子牙新河主槽涵洞、北排河涵洞、灘地平交埝等6 個(gè)主要部分共同組成，為解決子牙新河、北排河與南運(yùn)河交叉行洪的復(fù)雜矛盾及調(diào)度南運(yùn)河水量而建。南運(yùn)河與子牙新河采用平、立交形式交叉，在運(yùn)用上，應(yīng)盡量減少破平交埝的機(jī)遇，充分利用主槽涵洞泄洪，北排河涵洞工程設(shè)計(jì)處理方法與子牙新河主槽相類似，僅規(guī)模略小。為解決大水情況下，渡槽漂浮不穩(wěn)而建的引水壓槽工程由引水渠、引水涵洞和引水壓槽閘3 部分組成。子牙新河獻(xiàn)縣進(jìn)洪閘至周官屯穿運(yùn)樞紐河段全長(zhǎng)81km，兩堤寬2km～3km，設(shè)計(jì)流量5500m3/s，校核流量8800m3/s。

隨著現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，為我國(guó)洪水預(yù)警預(yù)報(bào)管理系統(tǒng)的構(gòu)建應(yīng)用提供了先進(jìn)技術(shù)手段和條件，使得洪水預(yù)警預(yù)報(bào)信息在采集、傳輸、數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析、預(yù)警信號(hào)的發(fā)布和服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)融合在一起，實(shí)現(xiàn)了周官屯穿運(yùn)樞紐洪水預(yù)警預(yù)報(bào)聯(lián)機(jī)作業(yè)。根據(jù)設(shè)置的預(yù)報(bào)子牙新河周官屯穿運(yùn)樞紐洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間及洪水總量任務(wù)，通過(guò)加載水情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)庫(kù)(包括降雨、水位、流量等數(shù)據(jù)資料)，根據(jù)當(dāng)前洪水形成的規(guī)律和具體特點(diǎn)，找出對(duì)應(yīng)模型計(jì)算公式，繼而確定洪水的預(yù)報(bào)方案，基于設(shè)置的洪水預(yù)報(bào)方案，將其計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相互對(duì)比，求出相應(yīng)誤差，再重新調(diào)整相應(yīng)參數(shù)值，比較結(jié)果與誤差，直至誤差最小，即率定出參數(shù)的最優(yōu)值?；诮⒌念A(yù)報(bào)方案，為保證預(yù)測(cè)結(jié)果的精確性和可靠性，需將所制訂的預(yù)測(cè)方案，根據(jù)其允許的誤差程度標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行方案評(píng)定和檢驗(yàn)。該方案建好后即可對(duì)正在發(fā)生的強(qiáng)降雨及上游來(lái)水情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，推算得出將要發(fā)生的洪水量大小及發(fā)生洪水出現(xiàn)時(shí)間，用于子牙新河周官屯穿運(yùn)樞紐洪水期防汛調(diào)度工作，可為周官屯穿運(yùn)樞紐洪水期防汛減災(zāi)工程提供技術(shù)支撐。

2.周官屯穿運(yùn)樞紐洪水預(yù)報(bào)

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)模型法根據(jù)子牙新河獻(xiàn)縣至周官屯段(距離81km)過(guò)水資料，確定模型的輸入、輸出，選定計(jì)算模型，對(duì)歷史資料進(jìn)行模擬計(jì)算率定、驗(yàn)證，可用于周官屯穿運(yùn)樞紐洪水作業(yè)預(yù)報(bào)。

2.1 方案構(gòu)建

預(yù)報(bào)方案設(shè)置子牙新河獻(xiàn)縣進(jìn)洪閘實(shí)測(cè)流量為輸入，周官屯穿運(yùn)樞紐實(shí)測(cè)流量為輸出，分大水（灘地行洪）和小水（主槽行洪）兩套方案。

大水（灘地行洪）采用河北河道匯流模型（HBHDMODEL），方案輸入為獻(xiàn)縣30901400+30901402，輸出為周官屯30901600+30901602，方案計(jì)算時(shí)段為h，方案輸出類型為流量。

小水（主槽行洪）采用帶下滲馬斯京根分段連續(xù)演算模型（MSKLOSS），方案輸入為獻(xiàn)縣進(jìn)洪閘30901400，輸出為周官屯主槽30901600，方案計(jì)算時(shí)段為1h，方案輸出類型為流量。灘地行洪、主槽行洪結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 灘地行洪結(jié)構(gòu)圖

圖2 主槽行洪結(jié)構(gòu)圖

2.2 模型原理

2.2.1 模型原理

河北河道匯流模型（HBHDMOD?EL）河道沿程造成的損失計(jì)算，根據(jù)80年代后平原河道行洪的實(shí)際資料，先從模型輸入量中扣除河段損失，再進(jìn)行調(diào)洪演算的一種計(jì)算方法。

計(jì)算時(shí)先將輸入扣除損失，并考慮河段面上降雨，即：

式中：

Ip=Ia+ph-Fh；

Ph=PΔt×B×L/Δt；

Fh=FΔt×B×L/Δt；

Ia—輸入斷面平均入流；

Ph—河面時(shí)段雨量(P△t)；

Fh—t 時(shí)刻的下滲量/時(shí)段(F△t)；

B—計(jì)算河道的平均河道寬；

L—輸出河段的河道長(zhǎng)；

t—計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)h。

河道下滲選用霍頓公式，計(jì)算時(shí)段短時(shí)，F(xiàn)(下滲率)×△t(時(shí)段長(zhǎng))=時(shí)段下滲量F△t。

表1 子牙新河周官屯穿運(yùn)樞紐率定目標(biāo)函數(shù)值統(tǒng)計(jì)表

表2 子牙新河周官屯穿運(yùn)樞紐預(yù)報(bào)率定場(chǎng)次洪水統(tǒng)計(jì)表

表3 子牙新河周官屯穿運(yùn)樞紐預(yù)報(bào)模型參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表4 周官屯洪水預(yù)報(bào)方案等級(jí)評(píng)定表

圖3 1988 年場(chǎng)次洪水率定圖

圖4 1996 年場(chǎng)次洪水率定圖

由于前期損失大，即霍頓公式中的fo 較大，模型輸入量首先滿足河道初損、下滲后，輸入量才能流到輸出斷面，故用累計(jì)輸入量（上游來(lái)水量）與累計(jì)入滲量之差，來(lái)扣除損失。

當(dāng) IWn≤0，Ipn=0；IWn＞0， I，pn=IWn-IWn-1

式中：

IWn—第n 時(shí)段累計(jì)入流（包括河面降雨）與累計(jì)下滲之差；

其他符號(hào)同前；

Iat、Pht、Fht—時(shí)段平均值（單位m3/s）；

Ipn—第n 時(shí)段平均入流。

馬斯京根分段連續(xù)演算模型（MSKLOSS），由G.T.麥卡錫提出，在馬斯京根河得到應(yīng)用和研究，可用于匯流演算。分析河段從輸入到輸出有水量損失時(shí)，即河段槽蓄量的變化等于過(guò)水流量與入滲量沿程變化之和。

將上式（3）轉(zhuǎn)化為上述平衡方程，簡(jiǎn)之為計(jì)算河段的槽蓄方程，則分別為：

式中：

dW—計(jì)算時(shí)段內(nèi)河道槽蓄量變化；

I—河段平均輸入量；

Q—河段平均輸出量；

F—河段平均入滲流量。

令I(lǐng)′=I-F，則式(4)和式(5)分別變?yōu)椋?/p>

根據(jù)下滲經(jīng)驗(yàn)公式，如河道平均河寬為B，河段全長(zhǎng)為ΔL，則Δt 時(shí)段的入滲量F 為：

計(jì)算時(shí)，根據(jù)ΔL 及過(guò)水資料中的傳播時(shí)間來(lái)定Δt，將河逐一分成單元來(lái)分別演算。輸入量進(jìn)入Ⅰ單元開(kāi)始算入滲量（F），求出凈輸入量（R）后由R 計(jì)算至Ⅱ河段，Ⅱ單元河段再計(jì)算自身河長(zhǎng)的R，同時(shí)演算至Ⅲ單元河段……，直到輸出斷面為止。在此，預(yù)報(bào)河道入滲量全程發(fā)生時(shí)時(shí)變動(dòng)，同一個(gè)單元的河道在不同的時(shí)間段也發(fā)生著時(shí)時(shí)變動(dòng)。這種將馬斯京根分段連續(xù)演算方法與霍頓的飽和入滲方程相融合，就建立了一個(gè)從入流到出流，從地表至地下的計(jì)算框架，模擬了洪水在傳播過(guò)程中由河道向地下滲漏及洪水波向下游傳播的過(guò)程。

圖5 周官屯站作業(yè)預(yù)報(bào)結(jié)果圖

2.2.2 模型參數(shù)

河北河道匯流模型（HBHDMOD?EL）中：

W—河道平均水面寬度，m；

L—河長(zhǎng)，km；

HK—霍頓下滲曲線參數(shù)；

AH—1km 河長(zhǎng)的匯流時(shí)間；

BH—斷面形狀參數(shù)，河道匯流取值小于0.4；

TH—河段上下斷面的傳播時(shí)間，h；

HFI—初始下滲率，mm/h；

HFC—穩(wěn)定下滲率，mm/h；

馬斯京根分段連續(xù)演算模型（MSKLOSS）中：

x—反應(yīng)河道對(duì)上游來(lái)水調(diào)蓄情況。河道越平坦，取值越小，范圍在0.01～0.5 之間；

KK—演算時(shí)段長(zhǎng)度；

MP—演算河道分段數(shù)；

F0—初始下滲率，mm/h；

FC—穩(wěn)定下滲率，mm/h；

FK—下滲常數(shù)，反映土壤物理性質(zhì)，取值范圍0～1；

L—河長(zhǎng)，km；

W—水面寬度，m。

2.3 參數(shù)率定

2.3.1 模型率定結(jié)果

方案率定分小水（主槽行洪）和大水（灘地行洪），分別采用1988 年和1996 年洪水資料，目標(biāo)函數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

參數(shù)率定結(jié)果由率定結(jié)果可知，1988 年場(chǎng)次洪水中預(yù)報(bào)洪峰流量為237m3/s，而實(shí)測(cè)洪峰流量252m3/s，相對(duì)誤差6%；預(yù)報(bào)洪水總量180×106m3，而實(shí)測(cè)洪水總量為199×106m3，相對(duì)誤差9.5%，能達(dá)到《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GBT22482-2008)中規(guī)定的許可誤差小于20%。見(jiàn)圖3。

1996 年場(chǎng)次洪水中預(yù)報(bào)洪峰流量為1463m3/s，而實(shí)測(cè)洪峰流量1588m3/s，相對(duì)誤差7.9%；預(yù)報(bào)洪水總量1786×106m3，而實(shí)測(cè)洪水總量為1787×106m3，相對(duì)誤差0.1%，能達(dá)到《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GBT22482-2008）中規(guī)定的許可誤差小于20%的。見(jiàn)圖4。

子牙新河周官屯穿運(yùn)樞紐預(yù)報(bào)率定場(chǎng)次洪水統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

2.3.2 模型參數(shù)見(jiàn)表3

2.3.3 模型檢驗(yàn)

用最近年份2016 年7 月19 日實(shí)測(cè)洪水驗(yàn)證模型，洪水屬于小水（主槽行洪），采用對(duì)應(yīng)小水（主槽行洪）參數(shù)，作業(yè)預(yù)報(bào)驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖5。

2.4 預(yù)報(bào)方案

根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GBT22482-2008），在率定調(diào)參時(shí)，擬合的精度可用兩種目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行表達(dá)，即確定性系數(shù)準(zhǔn)則和合格率準(zhǔn)則。因滄州地處平原，過(guò)水年份較少，方案率定時(shí)使用洪水資料少，達(dá)不到規(guī)范場(chǎng)次標(biāo)準(zhǔn)，方案的評(píng)定暫以率定結(jié)果中的確定性系數(shù)準(zhǔn)則為依據(jù)。預(yù)報(bào)斷面的預(yù)報(bào)等級(jí)見(jiàn)表4。

3.結(jié)論與建議

周官屯穿運(yùn)樞紐按小水主槽行洪和大水漫灘行洪貼合當(dāng)?shù)貙?shí)際過(guò)水情況，模型程序化提高了預(yù)報(bào)的精度和時(shí)效性，通過(guò)近期洪水檢驗(yàn)，從洪峰流量和洪水過(guò)程擬合度上，預(yù)報(bào)精度效果很好。因滄州地處平原，過(guò)水年份較少，方案率定時(shí)使用洪水資料少，達(dá)不到規(guī)范場(chǎng)次標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)報(bào)方案降低使用，建議結(jié)合傳統(tǒng)預(yù)報(bào)方法和預(yù)報(bào)人員經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際洪水情況及見(jiàn)水后實(shí)測(cè)流量滾動(dòng)作業(yè)預(yù)報(bào)?！?/p>