大運河運河站實用水文預報方案優(yōu)化與應(yīng)用

楊明非，劉田田，房 磊，王勇成

（江蘇省水文水資源勘測局徐州分局，江蘇 徐州 221018）

實用水文預報方案是水文預報人員根據(jù)多年工作經(jīng)驗總結(jié)的預報方法，它既有一定的理論依據(jù)，又有大量的實測資料為基礎(chǔ)，能充分結(jié)合河段的特征，具有較高的預報精度[1]。

《淮河流域沂沭泗水系實用水文預報方案》自1982 年編制完成以來，已經(jīng)在沂沭泗流域應(yīng)用多年，先后經(jīng)歷了1993 年、2001 年和2014 年的三次系統(tǒng)修訂，在防洪減災和有關(guān)生產(chǎn)實踐中發(fā)揮了舉足輕重的作用。運河水文站實用水文預報方案經(jīng)過多年洪水作業(yè)預報考驗、數(shù)次完善與修正，仍是大運河洪水預報工作的依據(jù)。然而由于韓莊閘至運河站預報區(qū)間內(nèi)閘庫較多，洪水過程受其影響較大，同時韓莊閘至運河站的預報區(qū)間內(nèi)地形和下墊面情況差別較大，用統(tǒng)一的P+Pa～R 和單位線求得的區(qū)間徑流過程與實際徑流過程擬合欠理想，綜合導致采用分段（韓莊閘—臺兒莊閘、臺兒莊閘—運河站）馬斯京根演算疊加預報區(qū)間降雨產(chǎn)流方式預報的洪峰出現(xiàn)時間與實際洪水有較大出入。為了提高運河站洪水預報精度，讓水文預報工作在防洪搶險、水利工程調(diào)度運用、水資源開發(fā)利用中更好地發(fā)揮作用，本文以中運河臺兒莊閘為界，將韓莊閘至運河站預報區(qū)間分成兩部分，臺兒莊閘以上視為上游來水，采用馬斯京根法演算至運河站，臺兒莊閘至運河站區(qū)間采用降水產(chǎn)流（P+Pa～R、單位線）預報洪峰流量和峰現(xiàn)時間，臺兒莊閘馬斯京根法演算至運河站的流量過程與臺兒莊閘至運河站區(qū)間產(chǎn)匯流過程疊加，即為運河站洪水過程。

1 研究區(qū)域概況及資料來源

1.1 研究區(qū)域概況

運河水文站位于邳州市前索家村西約500m 的大運河上，是國家重點大河控制站，其上游37.4km處中運河上建有臺兒莊節(jié)制閘，臺兒莊節(jié)制閘上游又建有韓莊節(jié)制閘；運河站上游22km 處京杭運河上建有劉山節(jié)制閘。運河站預報區(qū)間為微山湖、會寶嶺水庫、江風口閘以下，運河站以上區(qū)域[3]，預報區(qū)間集水面積6102km2。左岸自上而下匯入的較大支流依次有嶧城大沙河、陶溝河和邳蒼分洪道，右岸匯入的較大支流為伊家河和京杭運河。微山湖通過韓莊閘泄水、嶧城大沙河來水和伊家河來水有臺兒莊閘水文站控制，邳蒼地區(qū)來水有邳蒼分洪道林子站控制，京杭運河來水有劉山閘水文站控制，陶溝河來水沒有水文站控制，見圖1。

圖1 韓莊閘至運河站預報區(qū)間水系圖

1.2 資料來源

初版《淮河流域沂沭泗水系實用水文預報方案》，系淮委防辦于1982 年在蘇、魯兩省已有洪水預報方案的基礎(chǔ)上整理、補充、匯總成的《沂沭泗流域洪水預報圖表》，后于1993 年完成第一次系統(tǒng)修訂，更名為《淮河流域沂沭泗水系實用水文預報方案》出版，并相繼于2001 年和2014 年完成了第二次和第三次系統(tǒng)修訂。目前使用的是2014 年完成修訂的版本，方案中運河站洪水預報沿用1982 年的方法，分段（韓莊閘—臺兒莊閘、臺兒莊閘—運河站）馬斯京根演算南四湖來水疊加預報區(qū)間降水徑流過程。預報區(qū)間內(nèi)閘庫較多，洪水過程受其影響較大，同時韓莊閘站至運河站的預報區(qū)間內(nèi)地形地貌差別較大，運河站以上流域北部為山區(qū)，坡大流急，運西地區(qū)為平原，水勢平緩，而預報區(qū)間內(nèi)統(tǒng)一采用的是綜合的P+Pa～R 和單位線，求得的區(qū)間徑流過程不甚理想，導致預報的洪峰出現(xiàn)時間與實際洪水有較大出入。

為使預報方案中的相關(guān)關(guān)系更契合當前的河道條件及洪水特征[3]，本文將雨洪資料系列延長至2022 年，以臺兒莊閘為界將預報區(qū)間分成兩部分，以臺兒莊閘為上游來水，將原方案的兩段（韓莊閘—臺兒莊閘、臺兒莊閘—運河站）馬斯京根演算簡化為一段（臺兒莊閘—運河站）馬斯京根演算，對方案進行優(yōu)化改進。

2 預報方案的建立與優(yōu)化

2.1 方案的建立

《淮河流域沂沭泗水系實用水文預報方案》中編制的運河站洪水預報方案，首先，以預報區(qū)間Pa值和流域平均次雨量，查P+Pa～R 關(guān)系圖得相應(yīng)時段的徑流深R。第二，用查得的時段徑流深R，應(yīng)用單位線求得區(qū)間徑流過程。第三，韓莊閘、會寶嶺水庫、藺家壩閘、江風口閘泄水時，泄水采用馬斯京根法進行洪水演算。江風口閘1974 年以來未開閘，藺家壩閘亦甚少開閘，會寶嶺水庫泄洪量較小，實際工作中，對運河站洪水過程影響最直接的是韓莊閘泄水。韓莊閘洪水期開關(guān)閘頻繁，根據(jù)已建立的馬斯京根公式和匯流參數(shù)，將韓莊閘泄量演算至臺兒莊閘，再將演算得到的臺兒莊閘泄量演算至運河站，即為上游來水演算到運河站的洪水過程。最后，將第二步求得的區(qū)間徑流過程加入本次洪水起漲時運河站的底水，再加入第三步上游來水演算到運河站的洪水過程，即為運河站所要預報的洪水流量過程，洪峰流量對應(yīng)的時間即為峰現(xiàn)時間。

2.2 方案的優(yōu)化

如前文所述，會寶嶺水庫、藺家壩閘和江風口閘基于各自原因，其演算結(jié)果對運河站洪水過程影響甚微。在忽略會寶嶺水庫放水、藺家壩閘泄水、江風口閘泄水的前提下，運河站預報洪水過程影響因子為區(qū)間外來水和區(qū)間內(nèi)降水徑流。原方案區(qū)間外來水的計算的初始流量是韓莊閘泄量，馬斯京根法演算至臺兒莊閘，再將演算得到的臺兒莊閘泄量馬斯京根法演算至運河站，二次馬斯京根法演算增加了求得洪水過程的不確定性。本文將韓莊閘下游35km 處的臺兒莊閘泄水作為上游來水馬斯京根法演算的初始流量，作為中運河上的控制斷面，臺兒莊閘站較其上游的韓莊閘站控制面積增加了伊家河和嶧城大沙河兩大支流來水，為此，在區(qū)間降水徑流的計算中，扣除伊家河和嶧城大沙河區(qū)域，直接以臺兒莊閘實測流量作為馬斯京根法演算的初始流量演算至運河站，較之以韓莊閘泄水演算至臺兒莊閘的計算流量作為初始流量再演算至運河站，精度的提高不言而喻。另一方面，嶧城大沙河和伊家河兩大支流流量原方案中是通過P+Pa～R和單位線求得，本文是通過臺兒莊閘控制，兩者亦是計算值與真值的差別。

2.3 結(jié)果對比與分析

2.3.1 洪水預報許可誤差與預報精度評定

預報方案精度評定，依據(jù)《水文情報預報規(guī)范》（GB/T 22482-2008）的相關(guān)技術(shù)規(guī)定，結(jié)合運河站實際情況，運河站洪水預報采用降水徑流和河道洪水演算相結(jié)合的方式，洪峰流量預報以實測洪峰流量的20%作為許可誤差[4]；運河站洪水預報的預見期一般為30～48h，預報方案的計算時段長為6h，運河站峰現(xiàn)時間預報以一個計算時段長（6h）作為許可誤差[3]。

2.3.2 預報方案修訂前后精度對比

將運河站實用水文預報優(yōu)化方案與馬斯京根法演算的各種參數(shù)一同編入Excel，形成半自動化預報方案，進行作業(yè)預報。應(yīng)用優(yōu)化方案對運河站2019—2022 年的洪峰流量進行模擬計算，與原方案的預報成果精度進行對比分析。優(yōu)化方案模擬結(jié)果與原方案預報精度對比見表1。

表1 運河站實用水文預報優(yōu)化方案與原方案預報結(jié)果精度對比表

區(qū)間外來水在場次洪水中占比較大時，優(yōu)化方案與原方案預報峰現(xiàn)時差結(jié)果差別較大，區(qū)間外來水較少時，優(yōu)化方案與原方案預報結(jié)果差別不顯著，因此表1 只列出了區(qū)間外來水占比較大（＞1500m3/s）場次洪水的預報誤差。表1 中相對誤差均值、峰現(xiàn)時差均值均為取絕對值后的平均值。

由表1 可以看出，優(yōu)化方案模擬洪峰流量的誤差相比原方案略有減小，原方案預報的洪峰流量相對誤差均值為13.7%、優(yōu)化方案模擬的洪峰流量相對誤差均值為12.0%，且優(yōu)化方案模擬洪峰流量的相對誤差均在20%以內(nèi)；優(yōu)化方案的峰現(xiàn)時間模擬誤差相比原方案明顯減小，原方案預報峰現(xiàn)時差均值為2 個時段，超過了峰現(xiàn)時差的許可誤差，優(yōu)化方案峰現(xiàn)時差均值減小為1 個時段，在許可誤差范圍內(nèi)。洪水預報精度提高的主要原因是優(yōu)化縮小了預報過程中降雨徑流測算的范圍、縮短了預報過程中馬斯京根演算的長度，優(yōu)化方案更適用于運河站預報區(qū)間的洪水模擬。

3 結(jié)語

以韓莊閘至運河站預報區(qū)間為研究區(qū)域，將運河水文站實用水文預報方案中韓莊閘—臺兒莊閘馬斯京根法演算流量替換為臺兒莊閘實測流量，作為預報區(qū)間的上游來水馬斯京根法演算的初始流量演算至運河站，且將原方案中通過P+Pa～R 和單位線求得的嶧城大沙河和伊家河兩大支流流量，替換為通過臺兒莊閘控制及實測流量，有效提高了預報精度質(zhì)量，對運河區(qū)間的作業(yè)預報具有一定的參考價值，可作為《淮河流域沂沭泗水系實用水文預報方案》下一步修編的方向。

本文對運河站實用水文預報方案的優(yōu)化是在現(xiàn)狀掌握的站點、報汛信息基礎(chǔ)上，從縮減洪水預報中間環(huán)節(jié)（馬斯京根法演算、降水徑流預報）的角度，提高洪水預報的精度。優(yōu)化后的運河站實用水文預報方案河道洪水馬斯京根法演算由2次變?yōu)? 次；原采用降水徑流預報的韓莊閘至臺兒莊閘區(qū)間1345km2面積轉(zhuǎn)為由臺兒莊閘控制，縮小了降水徑流預報的區(qū)域面積。

預報區(qū)間大部分地區(qū)為平原區(qū)，水勢平緩，但邳蒼地區(qū)坡陡流急，降雨產(chǎn)流關(guān)系有別于其他地區(qū)，為了提高實用水文預報方案的適用性，應(yīng)根據(jù)邳蒼地區(qū)水文資料，單獨編制邳蒼分洪道林子站預報方案，作為韓莊閘至運河站預報區(qū)間的子方案；同時，于陶溝河入大運河處設(shè)置水文站監(jiān)測水位流量，探討陶溝河小流域降雨徑流關(guān)系，以進一步提高運河站洪水預報精度