漢口水文站高洪期單值化法報(bào)汛方案研究

高敏 紀(jì)彭 郭含 鄒振華

摘要：漢口水文站是長(zhǎng)江中游干流重要的防洪控制站，為了給洪水預(yù)報(bào)決策提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，需要優(yōu)化漢口水文站報(bào)汛方案以提高報(bào)汛精度。分析了漢口水文站高洪期單值化法與臨時(shí)曲線法報(bào)汛方案，并與實(shí)測(cè)值對(duì)比進(jìn)行了精度驗(yàn)證。結(jié)果表明：采用臨時(shí)曲線法報(bào)汛時(shí)，漢口水文站在高洪期受下游頂托時(shí)，相應(yīng)流量報(bào)汛存在“上下跳動(dòng)”的現(xiàn)象;采用單值化法報(bào)汛效果較好，特別是在受下游來(lái)水頂托時(shí)該方法的精度更高。

關(guān)鍵詞：報(bào)汛方案;水位-流量曲線;單值化法;臨時(shí)曲線法;高洪期;漢口水文站

中圖法分類(lèi)號(hào)：P338 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.05.002

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）05 - 0006 - 04

1 研究背景

2005年，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“水文局”）率先在全國(guó)實(shí)現(xiàn)了118個(gè)中央報(bào)汛站自動(dòng)報(bào)汛，遙測(cè)項(xiàng)目主要為水位和降水[1]。2010年至今，水文局運(yùn)用水情信息交換系統(tǒng)進(jìn)行水情報(bào)汛與信息交換，由于流量尚未實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，水情分中心主要根據(jù)水位變化進(jìn)行相應(yīng)流量報(bào)汛[2]。相應(yīng)流量報(bào)汛方法通常根據(jù)各水文站的水位流量關(guān)系特性來(lái)確定，目前較為常用的方法有水位流量單一線法、臨時(shí)曲線法、單值化法以及差分模型等[3-5]。漢口水情分中心負(fù)責(zé)的5個(gè)水文站一直采用臨時(shí)曲線法進(jìn)行相應(yīng)流量報(bào)汛，流量誤差精度滿(mǎn)足相關(guān)要求。

2020年，長(zhǎng)江武漢河段受到洞庭湖和鄱陽(yáng)湖“上下夾擊”，長(zhǎng)期處于高水位，尤其是鄱陽(yáng)湖以及鄂東北倒、舉、巴、浠等中小河流的頂托影響，導(dǎo)致漢口（武漢關(guān)）水文站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“漢口站”）流量在同一水位級(jí)下偏小，雖然采用臨時(shí)曲線法開(kāi)展相應(yīng)流量報(bào)汛的精度能夠滿(mǎn)足要求，但在一些時(shí)段仍存在“上下跳動(dòng)”的現(xiàn)象（圖1）。作為長(zhǎng)江中游的防洪控制站，漢口站高洪期的水情受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。為給上級(jí)部門(mén)預(yù)報(bào)決策提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)發(fā)布相應(yīng)流量信息，需要對(duì)高洪期相應(yīng)流量報(bào)汛方案作出優(yōu)化。漢口站現(xiàn)行整編方法采用的是單值化法，它滿(mǎn)足在多種水力因素影響條件下整編定線要求，在一般年份可以定出符合規(guī)范要求的水位-流量單一關(guān)系線[6]，但在相應(yīng)流量報(bào)汛方面一直未開(kāi)展單值化法的研究。本文通過(guò)進(jìn)一步分析漢口站單值化方案，挑選有代表性的年份率定公式參數(shù)，研究漢口站高洪期單值化報(bào)汛方案，可為臨時(shí)曲線法相應(yīng)流量報(bào)汛提供參考。

2 基本情況

2.1 漢口站基本情況

漢口站始建于1865年，站址位于湖北省武漢市武漢關(guān)，是監(jiān)測(cè)長(zhǎng)江中游干流武漢河段在漢江匯入后水沙資料的基本水文站?；舅邤嗝嫖挥陂L(zhǎng)江中游干流左岸武漢關(guān)，上游左岸約3 200 m處有漢江匯入，流量測(cè)驗(yàn)斷面位于基本水尺斷面下游約5 400 m，測(cè)驗(yàn)斷面呈單式河床，左淺右深。左岸河床由細(xì)沙組成，沖淤變化較大，右岸河床由粗沙組成，河底不平順，主槽偏右較穩(wěn)定。河段順直，下游呈喇叭型，兩岸均筑有砌石護(hù)坡，大堤腳有防浪林。

漢口站集水面積1 488 036 km2，多年平均年徑流量7 058億m3，年平均降水量1 217.0 mm，歷史最高洪水位為29.73 m（1954年8月8日），最低水位11.70 m（1961年2月15日），最大流量76 100 m3/s（1954年8月14日），最小流量4 830 m3/s（1963年2月7日），水位級(jí)劃分見(jiàn)表1。全年采用單值化法——落差指數(shù)法，按單一線布點(diǎn)和資料整編。

2.2 2020年水情概述

2020年1～5月長(zhǎng)江流域降雨偏少，受上游來(lái)水較小的影響，長(zhǎng)江武漢河段底水低，水位較往年偏低1～2 m。進(jìn)入6月份，受上游區(qū)域性暴雨影響，長(zhǎng)江武漢河段水位開(kāi)始上漲。由于5月29日入梅，較往常偏早10 d，且6月份以后長(zhǎng)江流域降水量比多年平均值偏多兩成，7月7日07：00，漢口站水位達(dá)到警戒水位27.30 m，7月12日23：00水位達(dá)到28.77 m，為建站以來(lái)第四高水位。伴隨著長(zhǎng)江第1，2，3號(hào)洪水相繼形成，中下游干流武漢河段長(zhǎng)期處在高水位，超警時(shí)間達(dá)到32 d。

武漢地處長(zhǎng)江中下游，長(zhǎng)江武漢河段兩岸支流、湖泊眾多，江湖關(guān)系復(fù)雜，水情受多種因素影響。上游來(lái)水主要有長(zhǎng)江干流的下泄水量、洞庭湖方向的來(lái)水及漢江方向的支流匯入，下游可能會(huì)受到倒、舉、巴、浠、灄等武漢周邊中小河流及鄱陽(yáng)湖的頂托。2020年7月份，受到強(qiáng)降雨影響，洞庭湖和鄱陽(yáng)湖水位居高不下，長(zhǎng)江武漢段受到“上下夾擊”，洪水宣泄不暢，后又受到倒、舉、巴、浠、灄等河流的頂托，導(dǎo)致高水期水位流量關(guān)系大幅偏左，同水位下流量偏?。▓D2）。

2.3 報(bào)汛現(xiàn)狀

漢口站一直采用臨時(shí)曲線法進(jìn)行相應(yīng)流量報(bào)汛，該方法需要技術(shù)人員根據(jù)多年的人工報(bào)汛經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)測(cè)流量科學(xué)地研判水位流量關(guān)系的變化，從而繪制臨時(shí)曲線開(kāi)展相應(yīng)流量報(bào)汛，必要時(shí)結(jié)合上下游水文（水位）站同時(shí)刻水位落差綜合分析，及時(shí)對(duì)報(bào)汛線進(jìn)行修正。臨時(shí)曲線法依賴(lài)人為經(jīng)驗(yàn)，一般在漲落水面上吻合較好，而在一場(chǎng)洪水的極值附近，由于無(wú)法精確繪制出峰頂或峰谷“掉頭”的線型，會(huì)導(dǎo)致一定誤差。2020年，漢口站水位達(dá)到歷史第四高水位，高水期受到鄱陽(yáng)湖和倒、舉、巴、浠、灄等河流的頂托作用，水位流量關(guān)系大幅偏左，加大了人為經(jīng)驗(yàn)判斷的難度。因此，采用臨時(shí)曲線法開(kāi)展相應(yīng)流量報(bào)汛，精度雖然能夠滿(mǎn)足要求，但還存在一些“上下跳動(dòng)”的現(xiàn)象，還需要優(yōu)化高洪期報(bào)汛方案。

對(duì)于采用單值化法按單一線布點(diǎn)和資料整編的測(cè)站，相應(yīng)流量報(bào)汛可采用單值化法。單值化法是根據(jù)已經(jīng)單值化的數(shù)學(xué)模型、率定的公式參數(shù)和人工繪制的水位-校正流量關(guān)系線，反推水位-流量關(guān)系，開(kāi)展相應(yīng)流量報(bào)汛。漢口站的單值化方案在公式參數(shù)率定時(shí)，樣本采用了漢口水文站及輔助站2003～2008年共6 a的連續(xù)水位流量資料，沒(méi)有大水年;采用漢口站單值化方案對(duì)漢口站1996～2002年資料進(jìn)行驗(yàn)算。一般情況下，定一條關(guān)系線可以滿(mǎn)足要求，但由于大水年份下半年測(cè)點(diǎn)水位明顯偏小，只能按上下半年分別定線，當(dāng)兩線銜接處流量過(guò)程線出現(xiàn)跳躍，以流量過(guò)程線光滑為原則進(jìn)行流量改正。由于漢口站參數(shù)率定的時(shí)候未考慮大水年，大水年定線要分兩條，相應(yīng)流量報(bào)汛操作起來(lái)較為復(fù)雜且有任意性，因此漢口站一直未采用單值化法進(jìn)行相應(yīng)流量報(bào)汛。

3 單值化報(bào)汛方案

漢口站一直沿用的單值化方案將漢口站長(zhǎng)江上游的石磯頭水位站、漢江上游的漢川水位站及長(zhǎng)江下游的黃石港水位站當(dāng)作輔助水位站，計(jì)算代表年的綜合落差，采用合理的落差指數(shù)，計(jì)算校正流量。為現(xiàn)行的臨時(shí)曲線法報(bào)汛提供參考，開(kāi)展高洪期單值化法進(jìn)行相應(yīng)流量報(bào)汛，本文挑選有代表性的年份率定漢口站單值化方案公式參數(shù)。

考慮到2020年高水期受到下游頂托而導(dǎo)致流量偏小，采用2020年1～7月部分?jǐn)?shù)據(jù)作擬合線，根據(jù)某時(shí)刻漢口站水位在該擬合線上查算出校正流量，再根據(jù)漢口站水位及其上游3個(gè)輔助水位站的水位，計(jì)算綜合落差，反推出漢口站該時(shí)刻的還原流量。

3.1 數(shù)據(jù)資料

根據(jù)2020年水情的特殊性，尤其考慮到漢口站水位較高，且受到下游頂托影響較為嚴(yán)重，本次研究選用具有代表性的年份：1954，1998，2019，2020年。

1954，1998年的大洪水期間均出現(xiàn)了上游來(lái)水大，洞庭湖猛灌，下游鄱陽(yáng)湖漲水嚴(yán)重，對(duì)長(zhǎng)江武漢河段形成頂托態(tài)勢(shì)的情況。2020年為本年資料，最具有代表性，2019年河段特性、斷面情況、來(lái)水條件與2020年較為接近。

3.2 基本公式

漢口站水位流量關(guān)系主要受洪水漲落、變動(dòng)回水、斷面沖淤變化等綜合水力因素影響，呈不規(guī)則的繩套關(guān)系，需要采用綜合落差指數(shù)法進(jìn)行處理，使水位流量關(guān)系單值化。

漢口站單值化方案以上游長(zhǎng)江石磯頭站水位、下游黃石港站水位及漢江漢川站水位為落差水位，與漢口站水位落差建立水位流量函數(shù)關(guān)系。

式中：Q為流量;Z0為漢口（武漢關(guān)）站水位;Z1為石磯頭站水位 ;Z2為黃石港站水位;Z3為漢川站水位;Km1，Km2，Km3為落差權(quán)重變動(dòng)系數(shù);B0為綜合落差改正值。當(dāng)漢川的水位與漢口站的差值大于4 m時(shí)，Km3、Zm3參與計(jì)算。

2020年汛期，漢川站與漢口站的水位差值一直小于4 m。2020年7月8日12：00，漢川站超過(guò)警戒水位29.00 m，但超警是長(zhǎng)江洪水頂托所致，非漢江上游來(lái)水，漢江并未對(duì)武漢段水位流量關(guān)系的變化起較大的作用，因此本次單值化報(bào)汛公式中不考慮漢川站與漢口站的落差影響;同時(shí)，考慮到漢口（武漢關(guān)）站、石磯頭站、黃石港站采用的高程基面不同，為了讓落差更為真實(shí)合理，根據(jù)3個(gè)基面的換算關(guān)系，對(duì)以往的公式進(jìn)行了一定修改。

3.3 參數(shù)率定

本次率定參數(shù)選用1954，1998，2019年全年實(shí)測(cè)資料與2020年1月1日至7月19日的實(shí)測(cè)資料。通過(guò)自編程序計(jì)算，優(yōu)選落差權(quán)重變動(dòng)系數(shù)Km1、Km2、落差指數(shù)α。對(duì)q=（1/K1）×Qm/（K2×Zm）α計(jì)算的校正流量點(diǎn)，應(yīng)用“浮動(dòng)多項(xiàng)式配方程模型”進(jìn)行單一線擬合，選取使得擬合的單一線標(biāo)準(zhǔn)差最小的落差權(quán)重變動(dòng)系數(shù)Km1、Km2、落差指數(shù)α，最終確定落差指數(shù)Km1=0.36，Km2=0.10，α=1.055 789 936。

3.4 單一線擬定

2020年全年測(cè)驗(yàn)尚未結(jié)束，不能定出滿(mǎn)足一類(lèi)精度站定線標(biāo)準(zhǔn)的水位-校正流量單一關(guān)系線，為滿(mǎn)足報(bào)汛時(shí)效性的要求，本文單值化定線采用2020年1月1日至7月19日資料系列共計(jì)31個(gè)測(cè)次，在EXCEL表中采用6次多項(xiàng)式擬合（圖3），R2 = 0.999 1，得到公式如下：

4 單值化法報(bào)汛方案精度分析

由于2020年年終整編尚未開(kāi)展，目前先對(duì)2020年至今所有的62個(gè)測(cè)次分別計(jì)算單值化法和臨時(shí)曲線的報(bào)汛流量，并與實(shí)測(cè)流量結(jié)果對(duì)比（見(jiàn)表2）。結(jié)果表明：總體來(lái)說(shuō)，單值化法報(bào)汛精度較臨時(shí)曲線法高，誤差范圍、隨機(jī)不確定度均比臨時(shí)曲線法小，誤差小于5%，2%的個(gè)數(shù)均比臨時(shí)曲線法多。然而，單值化法系統(tǒng)誤差比臨時(shí)曲線法大，是因?yàn)榕R時(shí)線法繪制的曲線“上下跳動(dòng)”，流量偏大或偏小，正負(fù)相抵，顯得系統(tǒng)誤差比較小。因此，單值化法有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

本次研究的單值化法報(bào)汛在高水期，尤其是受到下游頂托時(shí)的效果更佳，可以敏感地反映出倒、舉、巴、浠、灄等武漢周邊中小河流及鄱陽(yáng)湖的頂托作用。例如在2020年7月6，12日等受到下游頂托影響，同水位下流量偏小時(shí)，單值化法的報(bào)汛流量明顯比臨時(shí)線法精度高（見(jiàn)圖4）：7月6日，實(shí)測(cè)流量50 900 m3/s，單值化法計(jì)算流量得50 600 m3/s，臨時(shí)線法計(jì)算流量得55 700 m3/s。此外，與實(shí)測(cè)流量相比，單指化法計(jì)算得出的流量偏小，臨時(shí)線法計(jì)算得出的流量偏大。

5 結(jié)論與展望

漢口水文站高洪期單值化法報(bào)汛方案精度高于臨時(shí)線法，臨時(shí)線法在沒(méi)有實(shí)測(cè)流量的情況下，只能通過(guò)人為經(jīng)驗(yàn)判斷，會(huì)存在一定偏差。本次研究的單值化法報(bào)汛誤差絕對(duì)值在5.44%以?xún)?nèi)，單值化法能夠?qū)⑸舷掠温洳畹淖兓皶r(shí)反映在水位流量關(guān)系上。因此，可以在臨時(shí)線法報(bào)汛的基礎(chǔ)上，采用單值化法流量進(jìn)行驗(yàn)算，如存在計(jì)算值偏大或偏小的情況，可取平均值，能較好地保證報(bào)汛精度，可為防汛決策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

本次研究仍存在樣本年份不足的問(wèn)題，后續(xù)還將進(jìn)一步補(bǔ)充分析資料樣本，包含1955年以來(lái)豐水年份（如1999，1996，2002，2016年等）資料，定出豐水年滿(mǎn)足一類(lèi)精度站定線標(biāo)準(zhǔn)的水位-校正流量單一關(guān)系線進(jìn)行報(bào)汛，進(jìn)一步優(yōu)化高洪期單值化報(bào)汛方案。此外，還可加入漢江較大秋汛年份、枯水年份等資料確定公式、率定參數(shù)，用更高的標(biāo)準(zhǔn)定線，來(lái)研究適應(yīng)性更強(qiáng)的單值化法報(bào)汛方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周鳳珍，劉少安，香天元. 自動(dòng)報(bào)汛技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系適應(yīng)性初探[J]. 水文，2007（1）：56-58，74.

[2] 鄒冰玉. 相應(yīng)流量自動(dòng)化實(shí)時(shí)報(bào)汛技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 人民長(zhǎng)江，2011，42（4）：54-57.

[3] 周新春，鄒冰玉，歐陽(yáng)春. 自動(dòng)報(bào)汛中相應(yīng)流量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究[J]. 人民長(zhǎng)江，2006（2）：28-29，36.

[4] 段江勇，潘暢，陳大玄. 相應(yīng)流量推算方法與報(bào)汛精度控制措施研究[J]. 水利水電快報(bào)，2019，40（3）：26-30，41.

[5] 陳新國(guó)，王立海，歐陽(yáng)駿. 基于水情信息交換系統(tǒng)的報(bào)汛方式研究[J]. 水利信息化，2014（5）：51-53，63.

[6] 張亭，吳堯. 漢口水文站水位流量單值化方案及其應(yīng)用[J]. 人民長(zhǎng)江，2014，45（9）：39-42.

（編輯：江 文）

Abstract： Hankou hydrological station is an important flood control station in middle Yangtze River. In order to provide more accurate data support for flood forecasting and decision making ， it is necessary to optimize the determination method of stage-discharge relation of Hankou hydrological station to improve accuracy of flood reporting. We analyzed flood reporting scheme of Hankou hydrological station during high flood period by comparing single value method and temporary curve method，and then verified the results with measured data. The results showed that when the temporary curve method was adopted， a phenomenon of "jumping up and down" existed in the reported discharge， especially when backwater effect exists in downstream. Therefore，single value method， with higher accuracy， is a more effective flood reporting method， especially when backwater effect exists in downstream for Hankou hydrological station.

Key words： flood reporting scheme; stage-discharge relation curve; single value method; temporary curve method; high flood period;Hankou hydrological station