博爾塔拉精河山口水文站洪水預(yù)報(bào)方案探析

張 慶

（新疆博爾塔拉水文勘測(cè)局,新疆 博爾塔拉 833400）

1 概況

精河發(fā)源于天山山脈婆羅科努山北坡,由南向北最終注入艾比湖。上游有兩條支流,左支流為冬圖勁河,右支流為烏圖勁河,兩支流在精河山口水文站上游約8.0 km 處匯合。精河全長(zhǎng)114 km,精河山口水文站基本斷面以上集水面積1419 km2,河網(wǎng)密度為0.091,坡降25‰～8.3‰[1]。精河流域?qū)儆诖箨懶耘瘻貛Ц珊禋夂?。氣候干燥、少雨、多風(fēng)沙。年極端最高氣溫41.0℃,多年平均降水量為99.7 mm。精河上游共有冰川 129 條,冰川面積96.20 km2,冰川總儲(chǔ)量54.598×108m3。在連續(xù)高溫的天氣情況下,若再遭遇暴雨,可形成大洪水。

精河山口水文站為控制站,屬國(guó)家級(jí)重要水文站和中央報(bào)汛站,設(shè)于1956 年4 月,現(xiàn)測(cè)驗(yàn)斷面以上集水面積1419 km2,河長(zhǎng)114 km,測(cè)站高程618.321 m[2]。該站歷年最高水位615.30 m,出現(xiàn)于2016 年9 月25 日,對(duì)應(yīng)流量為390 m3/s,排位第一,多年平均流量14.9 m3/s,多年平均徑流量4.704 億m3,最大年徑流量6.050 億m3,出現(xiàn)于1988 年；最小年徑流量3.401 億m3,出現(xiàn)于2013 年。

2 水利工程及防洪對(duì)象

2.1 精河下天吉水庫(kù)

精河山口水文站上游700 m 有1998 年建設(shè)的精河下天吉水庫(kù)。該水庫(kù)總庫(kù)容1438 萬(wàn)m3,調(diào)洪庫(kù)容1020 m3,是精河流域最大的水利工程。泄洪洞設(shè)計(jì)洪水位最大泄量345.7 m3/s,校核洪水位最大泄量363.7 m3/s；溢洪道設(shè)計(jì)洪水位最大泄量214.4 m3/s,校核洪水位最大泄量297.67 m3/s。水庫(kù)度汛的汛限水位為651.70 m,水量200 萬(wàn)m3以內(nèi),預(yù)存防洪庫(kù)容223 萬(wàn)m3,加上泄洪能力（蓄洪區(qū)間內(nèi)平均泄洪246.57 m3/s）,保守估計(jì)可抵御持續(xù)8 小時(shí)338 m3/s 洪水的能力。

2.2 下游重要防洪設(shè)施

水庫(kù)下游27 km 沿河村隊(duì)有河西村、夾巴溝、新莊村、蘑菇灘等村隊(duì),沿河兩岸的土地、房屋常遭洪水災(zāi)害,水庫(kù)下游8 km 處有精－伊－霍鐵路跨河大橋通過(guò),26 km 處奎－賽高等級(jí)公路精河段大橋,27 km 處有跨河國(guó)道312 線精河段大橋、右岸精河生態(tài)園等重要交通干線及景觀設(shè)施。

3 洪水成因與類型

精河洪水幾乎全部形成于山區(qū)。由于集水區(qū)的高程較低,冰川和高山永久性積雪覆蓋面積較小,均不足流域面積的4%,因此,河流的洪水類型是形成于中高山區(qū)的冰雪融水型洪水、形成于中低山帶的暴雨型洪水和雨雪混合型洪水。

3.1 冰雪融水型洪水

春、夏季中低山融雪型洪水,洪峰不高洪量較大,一般可持續(xù)3～7 天。有明顯的日變化,峰形平緩,前后日峰形相似,峰谷相應(yīng)[3]。5 月～6 月,日最大洪峰一般出現(xiàn)在夜間2 時(shí)～4 時(shí)。隨著氣溫的升高,較低海拔高度的積雪融化,6 月～8 月,主消融區(qū)高溫上升,日最大洪峰一般出現(xiàn)在4 時(shí)～6 時(shí)。

3.2 暴雨型洪水

精河流域年降水量的41.1%集中于夏季。河流為山溪性河流,流程短,河流出山口以上河段,地形陡峭,河槽下切深,兩側(cè)山地坡度大,產(chǎn)匯流極為迅速。暴雨往往形成年最大洪峰流量,給河流下游造成洪水威脅。如精河山口水文站1998 年7 月12 日的一次暴雨洪水。該次洪水前期降水7.8 mm (山區(qū)可能達(dá)暴雨)形成當(dāng)年該站最大洪峰流量258 m3/s,是當(dāng)年平均流量的13.9 倍。歷時(shí)1 小時(shí),一次洪量?jī)H78×104m3,只是當(dāng)年徑流量的0.13%。

3.3 雨雪混合型洪水

精河發(fā)生此類洪水,其成因?yàn)? 月～8 月山區(qū)冰雪融化,同時(shí)又遭遇中低山暴雨所致。此類洪水特點(diǎn)是：較暴雨洪水峰形胖、峰高、歷時(shí)長(zhǎng)、洪量大,漲水快落水慢。例如精河山口水文站1999 年7 月17 日至23 日的一次洪水過(guò)程,該次洪水起始日平均洪峰流量起為50.8 m3/s,最大日平均流量為105 m3/s。

4 預(yù)報(bào)模型與方法選擇

4.1 資料收集

精河山口水文站為精河中下游出山口控制站,有1956 年～2021 年連續(xù)66 年資料,資料可靠、系列長(zhǎng)。汛期水位用自記水位計(jì)觀測(cè),流量用流速儀一點(diǎn)法施測(cè),洪水期無(wú)法用流速儀法施測(cè)時(shí)用浮標(biāo)法或比降面積法施測(cè),水位流量關(guān)系穩(wěn)定。該站洪水系列未受人類活動(dòng)影響,基本斷面變遷在550 m范圍內(nèi),區(qū)間無(wú)支流匯入或引水,系列具有很好的一致性和連續(xù)性。洪峰流量均值穩(wěn)定在110 m3/s～120 m3/s 之間。

4.2 選取合適的預(yù)報(bào)因子

精河上僅有山口水文站一處水文站,本方案為單河單站的洪水預(yù)報(bào)方案。精河山口水文站建站以來(lái)年最大洪水成因以及年內(nèi)主汛期逐月分布頻次統(tǒng)計(jì)成果見表1。精河洪水多發(fā)生在6 月、7 月,融雪型洪水發(fā)生的頻次較少,洪水量級(jí)也較小。暴雨洪水發(fā)生的頻次高,洪水的量級(jí)也大。

表1 精河山口水文站歷年最大洪水成因及年內(nèi)分布表

4.3 預(yù)報(bào)方案的建立

精河山口水文站洪水預(yù)報(bào)對(duì)象單一,為水文站最大洪峰流量；影響因子為最大洪峰流量前一日河道平均流量和預(yù)報(bào)降水量。精河山口水文站年最大洪水預(yù)報(bào)采用平穩(wěn)時(shí)間序列法和年徑流相關(guān)法進(jìn)行預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)結(jié)果考慮前一日河道平均流量和預(yù)報(bào)降水量。

4.3.1 平穩(wěn)時(shí)間序列法預(yù)報(bào)

經(jīng)過(guò)大量實(shí)測(cè)資料歸納分析,年最大洪水本身具有一定的規(guī)律性。利用已監(jiān)測(cè)到的年最大洪峰流量的系列,尋找自身規(guī)律,得到預(yù)報(bào)年份的最大洪峰流量預(yù)報(bào)值。精河山口水文站1956 年～2021 年年最大洪峰流量曲線圖見圖1。

圖1 精河山口水文站歷年年最大洪峰流量過(guò)程線圖

以精河山口水文站1956 年～2019 年年最大洪峰流量建立序列,采用平穩(wěn)時(shí)間序列法預(yù)報(bào)2020 年最大洪峰流量；以精河山口水文站1956 年～2020 年年最大洪峰流量建立序列,采用平穩(wěn)時(shí)間序列法預(yù)報(bào)2021 年最大洪峰流量。

（1）2020 年預(yù)報(bào)

資料統(tǒng)計(jì)年限為1957 年～2019 年,自回歸方程為：

式中：Y（t）為預(yù)報(bào)對(duì)象 Y,Y 即精河站年最大流量；Y（t-i）為預(yù)報(bào)因子；JZ=118.6651（Y 之均值）；Bi為自回歸系數(shù)。

精河站年最大流量預(yù)報(bào)因子值：2019 年63.9,2018 年71.8,2017 年75.4,2016 年,179,2015 年135,2014 年36.4。

經(jīng)預(yù)測(cè),2020 年精河站年最大流量預(yù)報(bào)結(jié)果為：108m3/s。

（2）2021 年預(yù)報(bào)結(jié)果

同理,采用公式（1）預(yù)報(bào)2021 年最大洪峰流量,精河站年最大流量預(yù)報(bào)因子值：2020 年51.6,2019 年63.9,2018 年71.8,2017 年75.4,2016 年179,2015 年135。

經(jīng)預(yù)測(cè),2021年精河站年最大流量預(yù)報(bào)結(jié)果為82.0 m3/s。

4.3.2 年徑流與年最大洪峰流量相關(guān)分析預(yù)報(bào)方案

根據(jù)精河山口水文站年徑流量與年最大洪峰流量分布特點(diǎn),做兩特征值的相關(guān)關(guān)系,見圖2～圖4,利用圖標(biāo)里的趨勢(shì)預(yù)測(cè)/回歸分析類型,建立一元線性回歸方程預(yù)報(bào)方案,以年徑流量預(yù)報(bào)年最大洪峰流量,把山口水文站64 年年最大洪峰流量資料按大小分三段,分別建立回歸方程如下:

圖2 山口水文站年最大洪峰流量（高段）與年徑流量相關(guān)圖

式中：A 為常數(shù)；B 為回歸系數(shù)；C 為隨機(jī)誤差,服從正態(tài)分布,受降水、氣溫等要素影響。該式還有一隱性指標(biāo)R2,為相關(guān)系數(shù),描述線性回歸方程好壞。

高段回歸方程為：Y=23.848 X+70.435

中段回歸方程為：Y=8.2893 X+64.291

低段回歸方程為：Y=14.595 X+5.591

預(yù)報(bào)結(jié)果：用2020 年年初預(yù)測(cè)的年徑流量5.000 億m3作為預(yù)報(bào)因子預(yù)測(cè)2020 年的年最大洪峰流量為78.5 m3/s,用2021 年年初預(yù)測(cè)的年徑流量4.800 億m3作為預(yù)報(bào)因子預(yù)測(cè)2021 年的年最大洪峰流量為75.6 m3/s。

圖4 山口水文站年最大洪峰流量（低段）與年徑流量相關(guān)圖

4.4 檢驗(yàn)預(yù)報(bào)模型

4.4.1 預(yù)報(bào)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

利用山口水文站徑流1957 年～2019 年系列實(shí)測(cè)資料,采用該法對(duì)年最大洪峰流量進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),分別預(yù)測(cè)2020 年和2021 年年最大洪峰流量。以預(yù)測(cè)年最大洪峰流量與實(shí)測(cè)年最大洪峰流量進(jìn)行對(duì)比確定預(yù)測(cè)誤差。預(yù)報(bào)成果見表2。

表2 精河山口站年最大洪峰流量預(yù)報(bào)誤差統(tǒng)計(jì)表

4.4.2 預(yù)報(bào)結(jié)果評(píng)定

據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T 22482-2008）洪峰預(yù)報(bào)許可誤差：河道流量(水位)預(yù)報(bào)以預(yù)見期內(nèi)實(shí)測(cè)變幅的20%作為許可誤差。當(dāng)流量許可誤差小于實(shí)測(cè)值的5%時(shí),取流量實(shí)測(cè)值的5%,則以該值作為許可誤差的規(guī)定,平穩(wěn)時(shí)間序列法預(yù)報(bào)結(jié)果不合格,年徑流與年最大流量相關(guān)分析2020 年不合格,2021 年合格。一次預(yù)報(bào)的誤差小于許可誤差時(shí),為合格預(yù)報(bào)。合格預(yù)報(bào)次數(shù)與預(yù)報(bào)總次數(shù)之比的百分?jǐn)?shù)為合格率,表示多次預(yù)報(bào)總體的精度水平。通過(guò)檢驗(yàn),該預(yù)報(bào)模型合格率僅25%。該預(yù)報(bào)模型不能用于作業(yè)預(yù)報(bào),僅可用于年最大洪峰流量的估報(bào)。

5 結(jié)語(yǔ)

洪水預(yù)報(bào)方案建立是一個(gè)影響因素較多的復(fù)雜過(guò)程。通過(guò)分析探討,兩種洪水預(yù)報(bào)方案在預(yù)報(bào)2020 年最大洪水時(shí)均不合格。在預(yù)報(bào)2021 年最大洪水時(shí),年徑流與年最大洪水相關(guān)分析預(yù)報(bào)方案預(yù)報(bào)合格,說(shuō)明此種方法可以估報(bào)精河山口水文站洪峰流量,可為該站進(jìn)一步探索洪水預(yù)報(bào)精度提供借鑒。