丁寨水文站洪水預(yù)報(bào)方案研究

鄒 潤(rùn)，林 苗，陳好山

（湖北省恩施州水文水資源勘測(cè)局,湖北 恩施 445000）

1 流域概況

1.1 自然地理

曲江是唐崖河左岸一級(jí)支流,發(fā)源于坪壩營(yíng)鎮(zhèn)落耳巖大洞,經(jīng)筒車(chē)壩、灣田、曲江,在曲江鎮(zhèn)馬鞍山與野貓河匯合,經(jīng)天星孔氽入溶洞（5 km）后,在斷明峽轎子洞露頭明流2.5 km,至斷明峽注入唐崖河,河長(zhǎng)28.3 km,流域面積357 km2,總落差約1042 m,河道坡度4.7‰,河網(wǎng)密度0.1 km/km2,多年平均流量8.5 m3/s。流域內(nèi)山勢(shì)險(xiǎn)峻,植被較好,是“鄂西林?！钡闹匾M成部分,兩岸耕地和居民相對(duì)較少。流域水系圖見(jiàn)圖1。

圖1 丁寨水文站流域水系站網(wǎng)分布圖

1.2 水文氣象

曲江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,峰面雨是降雨的主要特點(diǎn)。由于地形地貌的差異和海拔高度的變化,垂直差異大等山區(qū)氣候特征明顯。春季受海洋季風(fēng)影響,海洋暖濕氣團(tuán)北進(jìn)與極地冷氣團(tuán)交綏,形成梅雨；冬季為西伯利亞氣候控制,冷暖氣團(tuán)交替,致使流域氣候溫和,雨量豐沛,且雨熱同期。

曲江該流域氣候溫和,四季分明,冬無(wú)嚴(yán)寒,夏無(wú)酷暑,雨量充沛,日照偏少,濕度偏大,風(fēng)速較小,霧日較多,無(wú)霜期長(zhǎng)（低山）。流域內(nèi)多年平均降水量為1313.4 mm,單站最大年降水量1911.0 mm。4 月~9 月為主汛期（降水占年降水的70%左右）,大暴雨多集中在6 月~8 月；1 月~3 月、10 月~12 月為枯季,降水較少。汛期河流洪水陡漲陡落,枯水期河流水位變化平緩。

1.3 水文站網(wǎng)

丁寨站水文站設(shè)立于2014年,位于丁寨鄉(xiāng)魚(yú)塘坪村,觀測(cè)項(xiàng)目有降水、水位、流量等。預(yù)報(bào)斷面以上河段全長(zhǎng)17.0 km,流域面積189 km2。

流域內(nèi)還設(shè)有甲馬池雨量站1 處,設(shè)于1956年,實(shí)測(cè)最大日降水量為206.8 mm,發(fā)生在1997年7 月15 日。

1.4 水利工程

丁寨水文站預(yù)報(bào)斷面上游支流龍王廟河建有龍王廟水庫(kù),水庫(kù)集水面積4.45 km2,總庫(kù)容20 萬(wàn)m3,主要功能為生產(chǎn)生活供水及農(nóng)田灌溉。該水庫(kù)集水面積較小,洪水期無(wú)調(diào)節(jié)能力,本次預(yù)報(bào)方案場(chǎng)次洪水計(jì)算不考慮其影響。

預(yù)報(bào)斷面下游的丁寨電站、段明峽電站以及位于下游右岸支流野貓河水庫(kù)及在建龍洞灣水庫(kù),水庫(kù)回水均對(duì)本預(yù)報(bào)斷面無(wú)影響。

2 水文預(yù)報(bào)方案編制

結(jié)合流域特性分析,丁寨水文站預(yù)報(bào)方案編制中產(chǎn)流預(yù)報(bào)采用降雨徑流相關(guān)圖法,匯流預(yù)報(bào)采用單位線法（即API模型）。該流域?qū)俣跷髂仙絽^(qū),屬湖北省第十水文分區(qū),適應(yīng)南方濕潤(rùn)地區(qū)的蓄滿產(chǎn)流模型。丁寨水文站場(chǎng)次洪水預(yù)報(bào)水文要素主要包括洪峰流量、洪水總量及洪峰出現(xiàn)時(shí)間等水文要素。丁寨水文站流域洪水預(yù)報(bào)方案依據(jù)丁寨水文站實(shí)測(cè)水文資料,采用API 模式進(jìn)行洪水水文要素的分析和計(jì)算,該預(yù)報(bào)方案包括流域產(chǎn)流方案和流域匯流方案。

2.1 產(chǎn)流預(yù)報(bào)

2.1.1 資料引用

丁寨水文站降水、水位均采用遙測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)采集與傳輸,每月進(jìn)行資料整編。該洪水預(yù)報(bào)方案編制引用了丁寨水文站、甲馬池雨量站2015年~2021年實(shí)測(cè)降水資料。

流域內(nèi)僅有丁寨、甲馬池雨量站,可采用算術(shù)平均法計(jì)算流域平均雨量。用流域退水曲線分割次洪徑流,流域退水曲線采用丁寨水文站洪水退水面無(wú)降雨或基本無(wú)降雨的大、中、小且比較單一的洪水過(guò)程,并根據(jù)實(shí)際情況按洪峰流量大小綜合,退水曲線見(jiàn)圖2。

采用流域綜合退水曲線分割不屬于本次洪水的徑流后,用面積包圍法計(jì)算次洪徑流深。一次降雨所形成的徑流過(guò)程確定后,R 的計(jì)算公式如下：

式中：R 為深,mm；Qi為流量,m3/s；?t 為計(jì)算時(shí)段,h；A 為流域面積,km2；3.6 為單位換算系數(shù)。

2.1.2 前期影響雨量計(jì)算

影響產(chǎn)流的第一因素是降水,而另一個(gè)重要的因素是土壤含水量,由于土壤含水量的實(shí)測(cè)資料缺乏,因此用前期影響雨量代替土壤含水量。

前期影響雨量的計(jì)算公式為：

式中：Pa,t為t 日的前期影響雨量,mm；Pa,t-1為上日的前期影響雨量,mm；Pt-1為上日的降雨量,mm；K 為土壤含水量的日消退系數(shù)（折減系數(shù)）；Rt為產(chǎn)流產(chǎn)生的徑流量,mm。

2.1.3 折減系數(shù)K 的計(jì)算

由于前期影響雨量（土壤含水量）的消退僅僅消耗于流域的蒸散發(fā),每日土壤蒸發(fā)量計(jì)算公式為：

所以K=1-Et/Pa,t。當(dāng)流域的前期影響雨量達(dá)到流域土壤最大蓄水量（可供蒸發(fā)的水量）時(shí),流域的蒸散發(fā)量達(dá)到流域的蒸散發(fā)能力。

式中：Em為流域蒸散發(fā)能力,mm；Wm為流域最大土壤含水量,mm。

流域最大損失量是指歷次洪水中損失的最大值,在數(shù)值上等于流域土壤最大蓄水量（蓄水容量）。根據(jù)該流域雨洪資料分析,按Im=P-R-Em計(jì)算,選取Pa≈0 的場(chǎng)次洪水分析綜合后確定Wm,本流域Im采用60 mm。

2.1.4 流域蒸散發(fā)能力的確定

流域蒸散發(fā)能力的大小主要決定于氣象條件,蒸散發(fā)面的性質(zhì),植物的類(lèi)型及其覆蓋面,由于該流域及鄰近流域無(wú)蒸發(fā)站,故本方案借用恩施水文站E 601 型蒸發(fā)器的實(shí)測(cè)資料值代替Em。由于Em隨月份的不同,所以K 值也不同,本次分析為簡(jiǎn)便起見(jiàn),根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合本流域特性綜合取K=0.85。

2.1.5 P~R~Pa相關(guān)圖

以前期影響雨量Pa作參數(shù),建立丁寨水文站降雨徑流相關(guān)圖,見(jiàn)表1、圖3。

序號(hào) 降雨量/mm前期影響雨量/mm 0 10 20 30 40 50 60 1 0 0 0 0 0 0 0 0 5 20 0.15 0.8 2.0 3.0 5.2 8.5 13.1 9 40 0.9 3.3 6.9 11.0 16.8 23.9 31.8 13 60 6.80 12.1 18.2 26.6 34.8 43.3 51.8 17 80 20.8 29.3 37.8 46.3 54.8 63.3 71.8 21 100 40.8 49.3 57.8 66.3 74.8 83.3 91.8 25 120 60.8 69.3 77.8 86.3 94.8 103 112

2.2 流域匯流預(yù)報(bào)

流域匯流計(jì)算采用瞬時(shí)單位線法。流域的匯流是流域上各處的凈雨演變?yōu)槌隹跀嗝媪髁康倪^(guò)程,包括坡面匯流和河網(wǎng)匯流。由于坡面匯流時(shí)間很短（不單獨(dú)分析）,直接用河網(wǎng)單位線代替流域單位線,本方案采用經(jīng)驗(yàn)單位線法計(jì)算流域匯流過(guò)程。

2.2.1 時(shí)段凈雨量推求

按各場(chǎng)次洪水的Pa及各時(shí)段的累計(jì)雨量,由降雨徑流關(guān)系計(jì)算各時(shí)段累計(jì)徑流深,相鄰時(shí)段相減得出各時(shí)段的徑流深。根據(jù)時(shí)段的徑流深及單位線就可以推求凈峰流量過(guò)程。

2.2.2 單位線推求

根據(jù)丁寨水文站實(shí)測(cè)洪水水文要素摘錄資料,用試錯(cuò)法推求該斷面的單位線,并考慮匯流的非線性影響,按暴雨中心位置確定瞬時(shí)單位線（單位時(shí)段長(zhǎng)取1 小時(shí)）,然后利用1小時(shí)單位線的累計(jì)曲線轉(zhuǎn)換成30 分鐘單位線,故丁寨水文站斷面的匯流計(jì)算可以采用1 小時(shí)或30 分鐘單位線進(jìn)行匯流演算,流域1 小時(shí)單位線成果見(jiàn)圖4。

圖4 丁寨水文站斷面1 小時(shí)單位線圖

2.3 預(yù)報(bào)方案的檢驗(yàn)與評(píng)定

該方案合格率的評(píng)定按照《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T 22482-2008）標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定,水文預(yù)報(bào)制作方法按照《湖北省洪水預(yù)報(bào)方案匯編技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》鄂水文（92）39 號(hào)及《長(zhǎng)江流域洪水預(yù)報(bào)方案修編實(shí)施方案》編制。

2.3.1 方案的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

徑流深的許可誤差以實(shí)測(cè)徑流深的20%作為許可誤差。當(dāng)該值小于3 mm 時(shí),許可誤差取3 mm；當(dāng)該值大于20 mm時(shí),許可誤差取20 mm。洪峰流量許可誤差以實(shí)測(cè)洪峰流量的20%作為許可誤差。峰現(xiàn)時(shí)間許可誤差：以預(yù)報(bào)時(shí)間到實(shí)測(cè)洪峰出現(xiàn)時(shí)間之時(shí)距的30%作為許可誤差,當(dāng)許可誤差小于3 小時(shí),取3小時(shí)。

2.3.2 評(píng)定成果及檢驗(yàn)

根據(jù)實(shí)測(cè)水文資料對(duì)丁寨水文站水文預(yù)報(bào)方案進(jìn)行評(píng)定,見(jiàn)表2。在評(píng)定過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一些突出點(diǎn)據(jù)。突出點(diǎn)據(jù)產(chǎn)生的原因是：一是用算術(shù)平均法計(jì)算流域平均雨量產(chǎn)生誤差；二是暴雨中心不同導(dǎo)致產(chǎn)生的洪水過(guò)程不同；三是連續(xù)降雨形成的復(fù)式峰與用簡(jiǎn)單歸納法統(tǒng)計(jì)的降雨徑流關(guān)系與單位線所計(jì)算的流量過(guò)程有一定的誤差。

表2 丁寨水文站洪峰流量預(yù)報(bào)誤差評(píng)定表

2.4 方案應(yīng)用

在實(shí)際作業(yè)預(yù)報(bào)時(shí),應(yīng)充分考慮土壤前期含水量、降水發(fā)生區(qū)域（上游、中游、下游或局部）以及水源組成影響。

（1）從降水前30 天或大雨過(guò)后土壤含水量達(dá)到飽和蓄水量60 mm 時(shí)作為起算點(diǎn)計(jì)算前期影響雨量Pa。

（2）用算術(shù)平均法計(jì)算流域平均雨量（甲馬池、丁寨站平均值）。

（3）用流域平均雨量及前期影響雨量采用產(chǎn)流方案預(yù)報(bào)徑流量。

（4）根據(jù)單位線得到洪峰流量及峰現(xiàn)時(shí)間。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

丁寨水文站斷面洪水預(yù)報(bào)方案采用API 模型編制,預(yù)見(jiàn)期為1小時(shí)。經(jīng)檢驗(yàn),預(yù)報(bào)方案精度符合乙等預(yù)報(bào)方案規(guī)范要求。因匯流域面積較小,流域河槽短,故在進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)宜采用1 小時(shí)或30 分鐘的單位線進(jìn)行計(jì)算。

3.2 建議

（1）彌補(bǔ)站網(wǎng)不足。建議在龍王廟水庫(kù)、筒車(chē)壩等區(qū)域新建雨量站,補(bǔ)充站網(wǎng)不足影響。

（2）強(qiáng)化氣象預(yù)警。為滿足曲江鎮(zhèn)防汛抗旱減災(zāi)工作需要,建議與咸豐縣氣象局開(kāi)展技術(shù)合作,及時(shí)掌握流域氣象未來(lái)變化趨勢(shì)等情況。

（3）強(qiáng)化方案修編。流域內(nèi)發(fā)生較大洪水后,應(yīng)及時(shí)開(kāi)展分析研究,修編完善預(yù)報(bào)方案,提高預(yù)報(bào)精度。