汾河下游新絳斷面洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究

杜亞平

（運(yùn)城市水文水資源勘測站，山西 運(yùn)城 044000）

1 項(xiàng)目概況

汾河是山西省境內(nèi)第一大河流，是黃河第一大支流，發(fā)源于忻州市寧武縣管涔山，在萬榮縣榮河鎮(zhèn)廟前村入黃河，全長716km，流域面積39471km2。本次項(xiàng)目的研究區(qū)域?yàn)榉诤优R汾境內(nèi)的柴莊斷面至運(yùn)城境內(nèi)新絳斷面，全長58km。

柴莊水文站位于汾河中下游的襄汾縣南賈鎮(zhèn)上魯村，是山西省汾河干流上國家級重點(diǎn)水文站。1956年由原史村站（1951年設(shè)立）下遷至此。流域內(nèi)有嵐河、瀟河、文峪河、洪安澗河、澇洰河等較大支流匯入，上游有汾河、文峪河等3座大型水庫、8座中型水庫；流域集水面積33932km2，距匯入黃河距離129km，控制河長565km，河道縱坡0.233%。

新絳水文站位于臨汾盆地南端新絳縣，新絳站斷面上游流域面積約為35532km2，流域長度為323.7km，距河口距離為89km。汾河新絳水文站下游總?cè)丝?50萬人，是運(yùn)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域，其國民生產(chǎn)總值占全市的32%。自1996年以來，下游防汛被各級政府列為防汛工作重中之重。

2016年7月，受流域長歷時連續(xù)強(qiáng)降雨影響，汾河中上游發(fā)生持續(xù)暴雨洪水，新絳水文站斷面上游水文站均發(fā)生超過400m3/s流量的洪水，持續(xù)不斷地迅速向新絳斷面推進(jìn)，根據(jù)7月19日至7月28日的實(shí)測數(shù)據(jù)，洪峰流量最大為450m3/s，這是自1996年以來發(fā)生的最大的一次洪水。

根據(jù)汾河下游暴雨洪水特點(diǎn)，用汾河下游柴莊水文站與新絳水文站之間的實(shí)測洪水資料與區(qū)間降雨資料，編制新絳斷面的洪水預(yù)報(bào)方案，開發(fā)汾河下游新絳斷面洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可有效提高洪水預(yù)報(bào)精度，增長有效洪水預(yù)見期，提高防汛抗旱指揮決策的科學(xué)性，充分發(fā)揮水利工程減災(zāi)效益。

2 研究方法

根據(jù)柴莊至新絳斷面之間的實(shí)測暴雨及洪水資料，統(tǒng)計(jì)降水、暴雨及洪水特性，建立兩斷面之間的一維水動力洪水預(yù)報(bào)模型，預(yù)報(bào)新絳斷面的洪水流量與水位過程，開發(fā)新絳斷面洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。研究內(nèi)容分為以下三個方面，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

（1）汾河下游柴莊至新絳斷面之間暴雨及洪水特性分析

從年際和年內(nèi)兩個尺度分析柴莊—新絳站區(qū)間的降水特性；分析新絳站的暴雨特性，如暴雨發(fā)生時間、暴雨歷時和暴雨強(qiáng)度等；分析柴莊站的洪水特性，如洪水歷時、漲洪歷時和不同歷時洪量等；計(jì)算柴莊斷面0～300量級、300～600量級、600～900量級、900～1200量級、1200～1500量級和1500～1800量級洪水過程線。

（2）建立汾河下游柴莊至新絳斷面洪水的預(yù)報(bào)方案

采用一維非恒定流Saint-Venant方程組，建立汾河柴莊—新絳斷面之間的洪水預(yù)報(bào)模型。選取汾河柴莊—新絳段2016年“7·19”雙峰型洪水實(shí)測資料，進(jìn)行參數(shù)率定和模型驗(yàn)證。采用汾河柴莊2015年8月3日實(shí)測流量資料，進(jìn)行新絳斷面洪水過程預(yù)測。根據(jù)柴莊站不同頻率不同量級洪水計(jì)算結(jié)果，模擬預(yù)測新絳斷面0～300量級、300～600量級、600～900量級、900～1200量級、1200～1500量級和1500～1800量級的洪水過程。

（3）新絳斷面洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)開發(fā)

采用理論研究和應(yīng)用研究相結(jié)合的研究方法，在總結(jié)現(xiàn)有國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從滿足防洪減災(zāi)實(shí)際需求出發(fā)，制定洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)各項(xiàng)功能目標(biāo)，研究洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，最終將研究成果進(jìn)行集成，開發(fā)完成一個業(yè)務(wù)化的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

新絳斷面洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是一個集地形展示、降雨信息展示、不同量級洪水預(yù)測、兩次大型洪水模擬分析，以及可實(shí)際操作演算于一體的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是借助于一維水動力模型和HTML超文本標(biāo)記語言來實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)測流量來進(jìn)行新絳斷面的洪水流量計(jì)算。新絳斷面洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，操作簡單且對數(shù)據(jù)資料要求不高，只需輸入上游斷面的流量數(shù)據(jù)，即可獲取下游新絳斷面的洪水過程預(yù)測。

3 汾河柴莊—新絳段洪水演進(jìn)模擬

3.1 區(qū)域地形

從汾河柴莊水文站到下游新絳水文站，河道全長約58km，河道寬度在100～400m之間變化，河道平均縱坡約為1.3‰，河底沿程高程采用黃海高程。本研究模擬區(qū)域內(nèi)，柴莊斷面和新絳斷面采用水文站記錄資料，新絳水文站上游采用5個實(shí)測斷面資料，模擬區(qū)域內(nèi)其他斷面采用插值得到。

3.2 參數(shù)選取

根據(jù)《山西河流洪水糙率》中，柴莊站洪水糙率表和汾河柴莊站糙率研究基本情況說明表，并結(jié)合模型試算率定結(jié)果，最終確定汾河研究區(qū)主河道糙率如表1所示。

表1 主河道糙率值

將這個河道糙率設(shè)置為默認(rèn)值，由于實(shí)際資料的不足，無法確定準(zhǔn)確合理的糙率值，因此給出如表2所示的河道糙率取值范圍。在后續(xù)實(shí)際操作中，操作人員可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜≈怠?/p>

表2 柴莊站洪水糙率表

3.3 模型檢驗(yàn)

采用汾河柴莊—新絳段2016年“7·19”雙峰型洪水實(shí)測資料，進(jìn)行模型驗(yàn)證。上游采用“7·19”洪水柴莊站的實(shí)測洪水流量過程線作為入流條件，下游根據(jù)新絳斷面實(shí)測斷面形態(tài)，計(jì)算得到新絳斷面的流量—水位關(guān)系，以此作為出流邊界。

新絳斷面實(shí)測資料從2016年7月19日下午3時開始記錄，此時流量為140m3/s，后于2016年7月31日24時，流量降至100m3/s以下，因此，模型驗(yàn)證誤差分析采用該時段進(jìn)行比較，模擬時長共計(jì)300h。新絳斷面水位實(shí)測與模擬值對比見圖2，相對誤差為δ=0.023%，相關(guān)系數(shù)為R2=0.993。

圖2 新絳斷面實(shí)測與模擬水位過程線

新絳斷面流量實(shí)測與模擬值對比見圖3，相對誤差為δ=5.444%，相關(guān)系數(shù)為R2=0.973。

圖3 新絳斷面實(shí)測與模擬流量過程線

時段內(nèi)實(shí)測洪水總量為23391.34萬m3，模擬洪水總量為22657.33萬m3，相對誤差為3.14%。符合水文模擬誤差允許范圍，該模型對汾河柴莊—新絳段的洪水模擬結(jié)果可靠有效。

洪水總量及兩次洪峰的流量、水位和到達(dá)時間的模擬值和實(shí)測值對比分析見表3。

表3 洪水要素分析

4 結(jié)論

采用一維非恒定流Saint-Venant方程組，建立汾河柴莊—新絳段洪水演進(jìn)模型。采用汾河柴莊—新絳段2016年“7·19”雙峰型洪水實(shí)測資料，進(jìn)行模型驗(yàn)證。新絳斷面水位實(shí)測與模擬值相對誤差為δ=0.023%，相關(guān)系數(shù)為R2=0.993。新絳斷面流量實(shí)測與模擬值相對誤差為δ=5.444%，相關(guān)系數(shù)為R2=0.973。時段內(nèi)實(shí)測洪水總量為23391.34萬m3，模擬洪水總量為22657.33萬m3，相對誤差為3.14%。符合水文模擬誤差允許范圍，該模型對汾河柴莊—新絳段的洪水模擬結(jié)果可靠有效。

汾河下游新柴莊—新絳斷面洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，主要是將水動力模型與HTML語言相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)洪水的預(yù)報(bào)和展示。利用信息數(shù)據(jù)庫資源、一維水動力學(xué)模型以及HTML語言的集成，展示了汾河柴莊—新絳段的水文特定分析成果結(jié)果、流域信息、區(qū)域地形信息，以及部分實(shí)測和不同量級洪水預(yù)測成果等內(nèi)容，并實(shí)現(xiàn)了根據(jù)柴莊斷面的流量過程，進(jìn)行新絳斷面的水位和流量過程的預(yù)測。通過本次設(shè)計(jì)，拓展了在水文業(yè)務(wù)的應(yīng)用，完善了汾河下游新絳斷面的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提高了洪水預(yù)報(bào)精度和管理水平，提供了防汛調(diào)度決策保障。

由于新絳站實(shí)測系列資料較少，無法確定準(zhǔn)確合理的糙率值，可在表2所示的河道糙率取值范圍中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)取值。