山西省北崖底水位站控制流域洪水預報系統(tǒng)的應用

喬新偉

摘? 要：山西省北崖底水位站控制流域地處北方半干旱、半濕潤地區(qū)，暴雨分布不均，其降雨徑流的形成過程較為復雜，既有蓄滿產(chǎn)流，又有超滲產(chǎn)流。文章根據(jù)北崖底水位站建站以來暴雨、洪水資料，采用劃分子流域結合雙超產(chǎn)流模型的方法，制作建立了北崖底水位站洪水預報系統(tǒng)，旨在為地區(qū)防汛、漁業(yè)災害防控提供參考。

關鍵詞：半干旱;半濕潤;子流域;雙超模型;綜合瞬時單位線

中圖分類號：S914文獻標志碼：C

1 流域概況

山西省北崖底水位站控制流域位于安澤縣和川鎮(zhèn)北崖底村沁河上，屬黃河流域沁河水系，地理坐標為東經(jīng)112°16′31″，北緯36°18′43″。該站集水面積2229km2，斷面以上主河道長度112km，主河道平均坡度2.9‰。流域內較大的支流有程壁河、赤石橋河、紫紅河、棗林莊河、狼尾河、法中河、柏子河等。流域上游源頭至北崖底段主要為石質山區(qū)，海拔高程在1100m～2000m之間。該區(qū)域地處太岳山脈東麓，南北兩端灰?guī)r出露，中部大都是石炭、二疊、三疊紀砂頁巖，自然植被良好，人類活動影響較小，林牧業(yè)較發(fā)達，水土流失輕微。

北崖底水位站上游有水文站1處，為孔家坡水文站;水位站1處為百家灘水位站，2處站點均有實時流量數(shù)據(jù)，可以通過上游站的入流進行北崖底水位站的洪水預報。沁河孔家坡（百家灘）～北崖底區(qū)間有11處雨量站，平均每站控制面積55.2km2，站網(wǎng)密度較高。為了充分考慮暴雨分布的不均勻性及不同地區(qū)水文特征的差異，本次采用劃分子流域結合雙超產(chǎn)流模型的方法進行系統(tǒng)建立。

2 子流域劃分

綜合沁河孔家坡（百家灘）～北崖底區(qū)間雨量站的地理位置、小流域水文特性、水系完整、暴雨特性差異不大的等因素，基于流域1：5萬地形圖及dem數(shù)據(jù)，共劃分10個子流域。為更好地分析流域洪水來源，為地方防洪減災提供服務，在子流域劃分的基礎上，進一步劃分出12個匯水點，用以顯示各匯水點的洪水信息。北崖底水位站控制流域子流域劃分結果見表1，子流域及節(jié)點位置見圖1。

3 預報模型與參數(shù)選用

3.1 產(chǎn)流模型

該預報系統(tǒng)的產(chǎn)流計算采用雙超模型，該模型將洪水徑流分成超滲徑流和超持徑流兩部分。雙超下滲理論認為，當降雨強度大于土壤下滲能力而形成的徑流只是徑流的一部分而不是全部;包氣帶中水分超過田間持水量會出現(xiàn)自由水，自由水沿具有一定坡度的相對不透水層側向移動，常在溝壁、河邊坡腳的堤防溢出形成壤中流。降雨強度大于土壤下滲能力而形成的徑流稱為超滲徑流，包氣帶中水分超過田間持水量側向排出的徑流稱為超持徑流。雙超模型徑流形成示意圖見圖3。產(chǎn)流計算過程如下：

3.1.1 根據(jù)北崖底流域雨量站點分布，采用泰森多邊形法進行子流域面雨量的推求。

3.1.2 參考流域植被種類分布，確定子流域森林覆蓋率ω與植物截留容量Zlm。根據(jù)臨近水文站E601蒸發(fā)皿觀測資料，計算大氣蒸發(fā)潛能ΔEm，進而計算出植物截留量。

3.1.3 根據(jù)《山西省水文計算手冊》確定各子流域的產(chǎn)流地類分布，進而計算雙超模型的參數(shù)吸收率Sr與導水率Ks ，各子流域的產(chǎn)流地類情況見表2。根據(jù)子流域下墊面情況，選用子流域滲能指標統(tǒng)計分布參數(shù)b1、不透水面積比重α0的初值，計算透水面積相應降雨時段的土壤入滲量ΔF0。進而可得出不透水面積上和透水面積上的超滲徑流，二者加權平均可得出相應的超滲徑流。

3.1.4 土壤中水分以張力水和重力水存在于孔隙之中，土層存儲重力水的最大潛能稱為滯蓄容量Sm，儲存張力水的最大潛能稱為持蓄容量Wm。兩個參數(shù)因土壤基質、結構特征而不同，Wm與Sm之和在120左右。土層中的重力水，在重力作用下，同時沿側向、垂向移動。選用適當?shù)膫认蚺判瓜禂?shù)δ，按照土壤雙層蒸發(fā)模型，計算相應的蒸發(fā)，進而可得的超持徑流。

3.2 匯流模型

匯流計算采用綜合瞬時單位線進行。瞬時單位線把流域匯流過程假設為由n個等效線性水庫對水流的調蓄過程。瞬時單位線數(shù)學表達式為：

un（0，t）1kΓ（n）tkn-1e-tk

式中：n為線性水庫的數(shù)目;k為單個線性水庫的調蓄系數(shù);t為時間;Γ（n）為伽馬函數(shù)。

采用綜合瞬時單位線計算過程如下：

3.2.1 根據(jù)《山西省水文計算手冊》確定各子流域的匯流地類分布，對地類參數(shù)進行綜合計算，進而得到匯流參數(shù)吸收率C1與導水率C2 ，各子流域的地類情況見表3。在進行野外實地調查時，應注意觀察河道的組成、清潔程度及植被情況，合理選用C2值。

3.2.2 根據(jù)《山西省水文計算手冊》可以查閱得出經(jīng)驗性指數(shù)α、β1、β2分別為0.397、0.047、0.190。

3.2.3 結合子流域劃分的河長、比降成果，計算瞬時單位線的參數(shù)n，k，進而得到各子流域的匯流過程。

4 參數(shù)率定與精度評定

北崖底水位站于2012年7月設立，本次選用建站以來5場洪水過程對預報模型參數(shù)初值進行了修正，經(jīng)過對各組參數(shù)反復調試，選取一組較為適合各場次洪水預報的參數(shù)，做北崖底預報控制流域參數(shù)的選用值。利用建站以來的5場洪水對預報系統(tǒng)進行檢驗，檢驗合格率為80%，確定性系數(shù)為0.74。根據(jù)《水文情報預報規(guī)范》（GB/T 22482-2008），為乙等方案，可用于洪水作業(yè)預報。模型模擬的洪水過程見圖4-圖8，模型模擬洪水過程精度評定見表4，表5。

5 結語

5.1 北崖底水位站控制流域地處北方半干旱、半濕潤地區(qū)，暴雨分布不均，其降雨徑流的形成過程較為復雜，既有蓄滿產(chǎn)流，又有超滲產(chǎn)流。采用劃分子流域結合雙超產(chǎn)流模型的方法，擬合的洪水過程合格率較高，取得了較好的效果。

5.2 北崖底水位站建站時間較晚，可用于率定參數(shù)的暴雨洪水資料較少，本次使用了建站以來所有的洪水資料進行了參數(shù)率定、精度評定。在今后的實踐中會對方案不斷的進行修正、完善。

參考文獻：

[1]郭祥波. 山西小流域產(chǎn)匯流理論與應運的研究[D].《河北工程大學碩士論文》，2016.

[2]楊樹峰. 沁河源頭保護區(qū)現(xiàn)狀分析及對策[J].《山西科技》，2012，27（6）：28-30.

[3]李力，延耀興，沈冰.雙超模型在半濕潤地區(qū)的應用[J]，《中北大學學報（自然科學版）》，2008，29（1）：62-66.

Application of flood forecasting system for watershed control at Beiyadi Watershed Station in Shanxi Province

QIAO Xinwei

（Linfen City Hydrology and Water Resources Survey Station， Linfen 041000， Shanxi China）

Abstract：The Beiyadi Watershed Station in Shanxi Province is located in the semi-arid and semi-humid area in the north of China. The distribution of rainstorm is not uniform. The formation process of rainfall-runoff is complicated， including full storage and runoff generation， and superpermeability and runoff generation.According to the rainstorm and flood data of Beiyaji water station， the flood forecasting system of Beiyaji Water Station is established by using the method of dividing the molecular basin and combining with the model of double excess flow， in order to provide reference for regional flood control.

Keywords：Semi-arid;Half wet;Sub basin;Double supermodel;Synthesized instantaneous unit line