小清河石村站洪水特性及洪水預報分析

王路路，張 宇，孫 超

（1.東營市水文中心，山東 東營257000；2.北京師范大學水科學研究院，北京100875）

1 概況

小清河位于魯北平原南部，黃河沖積平原上，干流自濟南玉符河起，自西向東流經濟南、淄博、濱州、東營、濰坊5市的10個縣、市、區(qū)，匯集18個縣、市、區(qū)的來水，于壽光市羊角溝流入萊州灣，全長229 km，流域面積10434 km2。是一條具有排水、灌溉、航運等多功能的人工河道，為全國五條重要的國防戰(zhàn)備河道之一，也是魯中地區(qū)重要的排水河道。小清河水系復雜，支流眾多，呈典型的單側梳齒狀分布，幾乎全部支流在干流右岸，排洪能力較大。

石村水文站位于東營市廣饒縣石村鎮(zhèn)東辛橋，為小清河最下游干流控制站，距河口52 km，控制流域面積6717 km2。其上游42 km處有岔河站，下游41 km處有羊角溝潮位站。本站主要任務是監(jiān)測小清河水位、流量等水文要素，收集基本水文信息，開展防汛抗旱、水文預測預報，并承擔東營市年度區(qū)域用水總量監(jiān)測、出入境河流控制站徑流測報、研究水文規(guī)律等。

石村站多年平均降水量為580 mm，豐水年份多達1140 mm（1964年），枯水年份僅為347 mm（1952年），年降水量多集中于汛期，暴雨多發(fā)生于7月中旬至8月上旬。該站歷史最高水位為8.02 m，出現(xiàn)在1964年；最大流量為521 m3/s，出現(xiàn)在2019年。

2 數據

本研究時段選用1961年～2019年59 a，洪水資料來自歷年洪水摘錄數據。石村站歷史上發(fā)生過多次變遷，1992年～2009年石村站只測水位3 m以上洪水，這18年大多數洪水過程摘錄不完整，洪水難以分析。1997年因小清河干流治理，該站下遷5000 m至東辛橋現(xiàn)址，干流治理后，流域匯流情況發(fā)生了較大變化［1］。

計算流域面平均雨量采用泰森多邊形法，這種方法計算簡單且使用廣泛［2］。選取石村站控制流域面積內的黃臺、博山、北鳳、九戶、芽莊湖、淄川、索鎮(zhèn)、馬尚、岔河、石村站10個雨量站資料，其面積權重分別為0.21、0.05、0.16、0.08、0.1、0.07、0.12、0.07、0.1、0.04。對10個雨量站資料進行加權平均得到石村站控制流域的平均雨量。

3 洪水特性

3.1 降雨徑流關系

將本站歷年實測洪水進行整編，分割場次洪水和地表徑流，計算地表徑流深等水文要素數值。1961年～2019年共選取58場洪水，繪制P+Pa～R圖，見圖1。P為流域平均雨量，Pa為前期雨量指數，反映前期土濕，前期影響天數選擇15 d。由圖1可知，石村站的降雨徑流關系較為散亂，通過點群中心定線，關系線存在一個轉折點，轉折點以上關系線與45°線近似平行，轉折點以下為曲線［3］。部分點據存在較大偏離，例如2019年大洪水，由于上游破堤泄洪，計算得到的徑流深明顯偏小。

由于石村站位于平原地區(qū)，水系復雜，上游多水利工程，洪水期間上游水庫蓄水、閘門開放水等都會影響實際洪水過程［4］。另外，石村站位置近海，受到海水頂托的影響，退水較慢，經常出現(xiàn)一場洪水尚未結束又發(fā)生第二場洪水的情況，這些因素導致石村站洪水過程復雜，場次洪水難以劃分，計算的地表徑流深存在誤差，降雨徑流關系可能不夠準確。

圖1 石村站降雨徑流相關圖

3.2 峰量關系

由于1997年小清河干流治理，流域匯流情況發(fā)生了較大變化，河道寬闊順直，干流水位降低，干支流頂托減少，匯流速度增大，因此1996年以前的峰量資料已失去代表性。本研究根據1997年干流治理后的27場洪水繪圖定線，見圖2，點據大部分分布在相關曲線兩側，部分偏離較遠。由于上游閘門啟閉以及下游水頂托導的影響，石村站部分場次洪水存在洪峰和洪量不對應的情況。

圖2 石村站峰量關系圖

3.3 典型洪水過程

近年來石村站多發(fā)大洪水，2018年、2019年連續(xù)兩年受臺風影響發(fā)生特大暴雨，給當地帶來嚴重洪澇災害。本研究選取2013年、2018年、2019年3年典型暴雨洪水過程，分析其洪水特征和成因。

圖3 典型暴雨洪水過程

2013年“130731”號洪水洪峰流量為312 m3/s，本次洪水過程中發(fā)生多次降雨，導致洪水歷時較長，出現(xiàn)復式洪峰。2018年“180821”號洪水洪峰流量為378 m3/s，為歷史第二大洪峰，本次洪水受臺風“溫比亞”影響，期間普降暴雨，降水范圍廣、歷時長、總量大，導致較大洪水過程。2019年“190813”號洪水洪峰流量為521 m3/s，為歷史最大洪峰，重現(xiàn)期達50年一遇，本次洪水過程是由于臺風“利奇馬”和西風槽結合影響，出現(xiàn)極端降水［5］，24 h暴雨重現(xiàn)期達500年一遇。

由以上三次典型洪水過程分析，石村站由于地處沿海平原，地形平坦且受到海水頂托的影響，洪水消退較慢，整個洪水歷時相對較長。

4 洪水預報

4.1 洪水預報面臨挑戰(zhàn)

石村站是小清河干流上最后一個控制站，小清河在其下游41 km處羊角溝匯入渤海。石村站防洪壓力相對較低，但近年來由于城市化發(fā)展，綠地面積減少，不透水面積增加，產匯流變快［6］。石村站連續(xù)兩年受臺風暴雨影響，發(fā)生大型洪水，給其所在地東營市帶來嚴重損失，因此當地加強對石村站防洪工作的重視，其中預報預警起到關鍵作用。

石村站由于地處感潮河段，其洪水預報面臨諸多挑戰(zhàn)。位于感潮河段的斷面，流量受上游的洪水與下游潮水共同影響［7］，前者取決于控制流域內的降雨徑流，流域內多水利工程，上游水庫蓄水、閘壩泄洪等導致來水形勢復雜多變。后者取決于下游海洋潮汐漲落變化的影響，水位流量常出現(xiàn)不對應的情況。受多種因素影響，石村站洪水特征復雜，其預報面臨諸多難題，目前沒有很好的適用于類似地區(qū)的水文模型。因此，石村站的洪水預報仍以經驗預報為主。前文提到石村站的產匯流關系并不穩(wěn)定，本研究對石村站進行了降雨徑流及洪水過程預報，以及上下游相關預報，建議使用上下游相關方案進行實際預報。

4.2 上下游相關

上下游相關是指由上游站洪峰流量或水位預報下游站洪峰流量或水位。上游站選擇石村站斷面上42 km處的岔河站。為提高預報精度，選擇石村站同時流量作為預報參數。當岔河站出現(xiàn)洪峰時，若石村站同一時刻流量較大，會相比流量較小時的洪峰流量更大。如圖4所示，點據呈帶狀分布，引入參數同時流量后可以更好的與點據擬合。

根據《水文情報預報規(guī)范》（SL 250-2000）對該洪水預報方案進行精度評定，該方案共選取了32場次洪水資料進行方案適線率定，有28場洪水絕對誤差在允許誤差（實測洪峰流量的20%）范圍內，因此確定本預報方案合格率為87.5%，屬于甲級方案。對未參與方案編制的資料（2017年，2019年）進行精度檢驗，誤差均在允許誤差范圍內，合格率為100%，通過精度評定檢驗，表明本方案可以正式用于作業(yè)預報。

以2019年石村站特大洪水為例進行預報，實測洪峰流量為521 m3/s，而通過上下游相關預報洪峰流量為600 m3/s。在此次洪水發(fā)生期間，石村站上游石村（溢）站破堤泄洪50 m3/s，即實際洪峰流量可能達到571 m3/s，可見與預報較為接近。本預報方法合格率為88%，屬于甲級方案，可以正式使用。其中，大型洪水預報相對準確，而小型洪水誤差相對較大。除了洪峰流量的預報，本研究也對上下游傳播時間進行了預報，但合格率僅為65%，預報難度較大，無法正式使用。尤其是小型洪水，受閘門啟閉和潮汐的影響，使得對于洪水傳播時間的預報偏差較大。

石村站受其特殊的地理位置的影響，加上近年來氣候變化，極端天氣多發(fā)，洪水形勢愈加復雜，預報方案使用時必須要全面分析多種因素的影響，盡量使預報符合實際情況。

圖4 石村站與岔河站洪峰流量相關圖

5 結語

本研究選取小清河流域下游石村水文站作為研究對象，對歷年洪水資料進行分析，結果表明：

（1）由于石村站位于平原近海地區(qū)，水系復雜，上游多水利工程，實際洪水過程受到上游水庫蓄水、閘門開放水以及回水頂托的影響，石村站的降雨徑流關系以及峰量關系不夠準確，存在部分洪水嚴重偏離相關曲線，實際工作中僅供參考。

（2）近年來石村站多發(fā)大洪水，給當地帶來嚴重損失。對2013年、2018年、2019年3年典型暴雨洪水過程進行分析，研究表明石村站由于地處沿海平原，地形平坦且受到海水頂托，洪水消退較慢，整個洪水歷時相對較長。一旦面臨極端天氣（如臺風），將會引發(fā)重大洪澇災害。

（3）近年來，當地加強對石村站防洪工作的重視。但由于石村站地理位置特殊，洪水形勢復雜，其洪水預報面臨諸多挑戰(zhàn)。本研究建議使用上下游相關法進行預報，合格率為88%，屬于甲級方案，可以正式投入使用。實際預報工作中建議加大對洪水災害成因分析，采用多種預報方案進行參考，提高預報精度。