概念性推理模型在過風樓水文站洪水預報的應用

◎陸　琪

概念性推理模型在過風樓水文站洪水預報的應用

◎陸琪

1　基本情況

1.1預報方案建立的目的意義

過風樓水文站處于商洛市商南縣過風樓鎮(zhèn)徐家店村，位于東經(jīng)109°52′46″，北緯33°25′43″，是2009年在丹江下游上設立的專用水文站，控制面積6398.5km2。2010年蓮花臺電站在距過風樓水文站下游34km處施工，汛期施工急需上游洪水信息的報送，因此該站預報方案的建立為丹江下游防汛保安起著重要的水文信息支撐。

1.2流域自然地理及水文氣象概況

丹江發(fā)源于秦嶺主脊 （陜西省商州市西北部）1964.7m的鳳凰山南麓，經(jīng)商洛市商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣，于荊紫關附近（商南縣汪家店鄉(xiāng)月亮灣）出陜境進入河南省淅川縣，向南在湖北省丹江口市注入丹江口水庫。商洛境內(nèi)流域面積7478.3km2，上游商州有二龍山、南秦水庫和王山溝，庫容分別為8100萬m3、1035萬m3和122.5萬m3，控制流域面積1453.5km2；丹鳳境內(nèi)有魚嶺和龍?zhí)端畮?，庫容分別為1037.5萬m3和272萬m3，控制流域面積277.5km2；商南境內(nèi)有縣河和試馬水庫，庫容分別為667萬m3和264萬m3，控制流域面積127.5km2。占過風樓以上面積2.0%。流域呈羽毛狀，見附圖1。

河谷形態(tài)：商州以上，河長42km為河源峽谷段；商州城至丹鳳月日灘，河長68km為商—丹盆地段；丹鳳月日灘至竹林關之間，河長48km為流嶺峽谷段；竹林關至商南月亮灣，河長53km為川塬峽谷段。

該流域雨量充沛，四季分明，年平均降水量830.4mm，降水主要集中在7月、8月、9月，1月～5月為少雨季，河流多為枯水期，流量小，河水清，6月～8月為暴雨季，河水漲落迅猛。9月～10月是連陰雨季節(jié)，河水多為漲陡落緩，洪水持續(xù)時間較長，峰形較胖。

1.3站網(wǎng)分布

過風樓水文站上游有3處流域報訊水文，它們分別是干流控制站丹鳳水文站，控制面積2766km2，丹江支流武關水文站，控制面積724km2。丹江支流銀花水文站，控制面積951km2。其中丹鳳水文站流域上設有麻街水文站，控制面積326km2，支流板橋河上設立有板橋水文站，控制面積493km2。三處水文站控制流域面積占過風樓站控制面積的69%，區(qū)間面積占31%，區(qū)間報訊雨量站有6處。

2　預報方案建立

圖1過風樓水文站測站位置示意圖

2.1預報方案建立的思路

由于過風樓站為新設站，洪水資料不足，上下游相關法、降雨徑流法等預報方法暫不具備條件，故對過風樓預報方案采用概念性推理模型。由于麻街水文站、板橋水文站在丹鳳水文站的控制斷面內(nèi)，預報方案不予考慮。二龍山水庫、南秦水庫、王山溝水庫也在丹鳳丹鳳水文站控制斷面以上，所以也不予考慮。區(qū)間縣河水庫和式馬水庫由于控制面積較小可以忽略。丹鳳、武關、竹林關三站，對過風樓站控制作用較大，以這三站為控制上游水量，再考慮區(qū)間來水，進行洪水的演進推理，制作模型，進行預報。

2.2方法

當?shù)P、武關、竹林關各站的洪水波向下游傳進時，把洪水波概化為互不干擾，而且中途傳進流量大小不變，預報時用丹鳳，武關、竹林關水文站實測河道流量資料。依據(jù)水文站某時出現(xiàn)的流量求得斷面平均流速，根據(jù)量出的河道距離L，用公式計算匯流時間，推算各站洪水傳播演進到過風樓的流量過程。當多站漲水時，疊加各水文站流量推演過程，再加上區(qū)間來水，得出過風樓站出現(xiàn)的流量過程。用此方法制作預報。

2.2.1河長的量算

量取丹鳳、武關、竹林關水文站基本斷面至過風樓水文站河長L，詳見表1。

表1　根據(jù)預報站到預報站河長量算表

2.2.2分析上游水文站流速分布

抄錄丹鳳、武關、竹林關斷面流速與流量對應的歷史水文年鑒數(shù)據(jù)，繪制Q～A關系線。以近年數(shù)據(jù)向前推，點子以中、高、低水點子分布均勻為原則，進而分別建立本站流量與斷面平均流速的關系曲線Q～v。

2.2.3匯流時間確定

根據(jù)河道洪水波運動原理，用t=L/r、r=1.33*v（v是相應流量對應的平均流速），用各站出現(xiàn)的流量，查讀各自相應流量對應的平均流速，用以上公式求出丹鳳、武關、竹林關水文站匯流至過鳳樓和蓮花臺電站的匯流時間，用匯流時間加上發(fā)生時刻成為該流量在過風樓出現(xiàn)時間，用這個時間和流量組成新的流量過程。

2.2.4流量過程疊加

把丹鳳、武關及竹林關得到的三個流量過程，根據(jù)時間的先后順序，引用在另一個Excel工作表上，對于相應時間上無流量的站，按照時間進行內(nèi)插補出流量。把三站流量過程相加，得到過鳳樓水文站處流量過程。

2.2.5區(qū)間流量的計算

圖2　商洛市徑流深與徑流模數(shù)關系曲線圖

考慮各水文站基本斷面到過風樓水文站區(qū)間降雨情況，根據(jù)計算的前期影響雨量結合時段降雨量計算凈雨量，由已知凈雨量R和徑流模數(shù)M的關系，求得徑流模數(shù)，由徑流模數(shù)和區(qū)間面積求得區(qū)間徑流量Q區(qū)，即Q區(qū)=MA區(qū)。具體各要素按下面的方法進行。

（1）區(qū)間流域前期土壤含水雨量Pa的計算

公式：Pa=KP1+K2P2+K3P3+…+KtP15

式中：P1、P2、P3……P15——第1天、第2天、第3天…15天的區(qū)間流域日平均雨量（毫米）；

K——蒸散發(fā)系數(shù)，此值用經(jīng)驗系數(shù)0.85計算。

前期影響雨量取該次洪水造峰前的30日。以最大初損值80mm為控制上限。

（2）區(qū)間平均降雨量的計算

根據(jù)區(qū)間雨量站的分布，用泰森多變形法計算區(qū)間平均雨量。

P——流域平均降雨量（mm）；

n——區(qū)間雨量站個數(shù)；

（3）徑流深R的計算

根據(jù)本區(qū)間氣候特點及下墊面情況基本滿足蓄滿產(chǎn)流的條件，用下列方水量平衡方程計算區(qū)間徑流深。

式中：P——區(qū)間流域平均降雨量（mm）；

Pa——區(qū)間流域前期土壤含水雨量（mm）；

Im——流域最大初損量（mm），這里用商洛水文手冊以80mm計。

（4）區(qū)間徑流模數(shù)推求

先計算區(qū)間雨強，再由商洛市徑流深與徑流模數(shù)關系的分析成果，見圖2，由計算的徑流深R和雨強i，若果雨強小于5mm，用線①，否則用線②.查算區(qū)間產(chǎn)流模數(shù)M。

由公式Q區(qū)=MA區(qū)計算區(qū)間徑流量。式中：M——徑流模數(shù)（m3/s.km2）；

A區(qū)——區(qū)間流域面積，應減去區(qū)間庫區(qū)控制面積（km2）。

3　作業(yè)預報步驟

（1）計算區(qū)間土壤前期含水量Pa，由區(qū)間降雨情況，用泰森多邊形法計算區(qū)間平均降雨量P和降雨強度i，進而計算區(qū)間產(chǎn)流深R，由時段降雨度i在R～M的關系圖中查算產(chǎn)流模數(shù)M。根據(jù)公式Q區(qū)=MA區(qū)計算Q區(qū)。

（2）根據(jù)上游丹鳳、武關、竹林關站出現(xiàn)流量及時間，填寫過風樓站預報方案計算表內(nèi)實時流量計算表；根據(jù)計算出的匯流時間，在流量疊加表內(nèi)根據(jù)匯流時間先后順序疊加各站流量。

（3）由疊加各站的流量過程加上相應時間區(qū)間流量Q區(qū)，得出測站預報斷面流量Q預報。

4　方案使用效果評價

本預報方案在2010年建立后使用至今，已有5年，本方案使用簡單，預報結果較為可靠。在通過5年的作業(yè)預報的實踐中，據(jù)統(tǒng)計洪峰流量預報合格率在80%以上，峰現(xiàn)時間合格率85%以上，洪峰流量合格率在78.5%，確定性系數(shù)0.787，達到了良好預報效果。

5　結語

過風樓水文站是丹江干流下游重要控制站，該站的水文信息對測站下游防汛保全起著重大的支撐作用，用概念性推理方法對過風樓水文站預報方案的建立是一次對一個無資料水文站預報方案建立的探索，本方案的預報思路和方法的實踐應用，為做其它類似條件的測站預報方案提供參考作用。陜西水利

◆作者系陜西省商洛水文水資源勘測局工程師

（責任編輯：王劍）