頂托影響下茅坪水文站洪水預報探索

陳 航，楊 鋒

（邵陽水文水資源勘測中心，湖南 邵陽 422000）

1 流域概況

邵水發(fā)源于湖南省邵東市南沖，位于邵陽市東北部，流域面積2 068 km2，全長112 km。邵水從源頭南沖向南流經(jīng)邵東市檀木壙、樂福亭、兩市鎮(zhèn)、牛馬司、魏家橋、大祥區(qū)雙江口，于邵陽市區(qū)沿江橋處匯入資水，河流平均坡降0.79‰。茅坪水文站位于邵水入河口上游約2.7 km處，控制流域面積2 060 km2。歷年來，茅坪水文站多次出現(xiàn)受資水頂托的現(xiàn)象。

資水，又稱資江。西源赧水發(fā)源于城步縣黃馬界，南源夫夷水發(fā)源于廣西資源縣貓兒山，西源赧水與南源夫夷水相比，其面積大36.3%，河長短24.2%，故以西源赧水為主流，赧水從源頭黃馬界向東北流經(jīng)武岡、納蓼水、平溪、辰水，向東流經(jīng)隆回，至邵陽縣雙江口與南源夫夷水匯合后始稱資水，然后北流，至邵陽市區(qū)納邵水，經(jīng)新邵以下納石馬江、大洋江、渠江，安化以下納敷溪、洢溪、沂溪等支流，于益陽市甘溪港注入洞庭湖，資水全長653 km，流域面積28 142 km2，流域平均坡降1.44‰，其中邵陽境內(nèi)長度113.7 km，流域面積14 756 km2。邵陽水文站位于資水干流邵水入河口上游約720 m處，控制流域面積12 238 km2。

2 洪水頂托過程分析

資水邵陽站以上流域面積12 238 km2，資水支流邵水流域面積2068km2，兩者面積比例約為6∶1，受流域面積差異影響，交匯區(qū)洪水頂托以資水邵陽以上流域來水為主。根據(jù)歷年洪水要素分析，邵水洪峰到達邵水口時與資水洪水遭遇，干支流匯流比較大時，資水洪水在交匯河口緩慢向資水下游及邵水演進，使得邵水出流受阻，出現(xiàn)茅坪站水位隨資水來水增大而增高的水位壅高現(xiàn)象；當干支流匯流比較小時，邵水出流依然受限，茅坪站流量增加而水位快速上升，斷面流場紊亂，退水緩慢。洪峰通過交匯口后，頂托現(xiàn)象逐漸減小，造成邵水水位滯漲或下降而流量不變或反增的現(xiàn)象。見表1。

表1 歷年洪水干支流匯流比

3 邵水頂托預報

為有效應對洪水頂托現(xiàn)象造成的預報干擾和防洪風險，制定精準有效的洪水頂托預報方案是必然趨勢。

3.1 頂托規(guī)律研究

洪水頂托主要受來水流量、干支流匯流比、與交匯口距離、河道斷面、區(qū)間河道坡降五個因素影響。其中：洪峰水位隨來水流量增加而增高；支流頂托現(xiàn)象隨干支流匯流比增加而增大；與交匯口距離越近，受頂托作用越強；河道斷面的差異導致水面比降差異；河道坡降越大，對另一河流頂托影響越大。茅坪站河道斷面、河道坡降與交匯口距離均為固定不變的影響因素。受流域面積差異影響，干支流匯流比大，邵水洪水在總流量占比小，受資水洪水頂托的影響程度較大。

本文采用邵陽站、茅坪站2008—2021年40場洪水過程的歷史數(shù)據(jù)進行分析，將干支流匯流比與邵陽站和茅坪站洪峰水位差的關系繪制散點圖，散點圖具有顯著的反曲線特征，匯流比與水位差為反比例函數(shù)關系。

3.2 曲線估計

通過SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件對2008—2021年共40場洪水的匯流比和水位差進行曲線估計，R方差為0.875，曲線擬合優(yōu)度強，該樣本符合反比例函數(shù)分布。參數(shù)分析見表2、表3、表4。

表2 參數(shù)估計值

表3 參數(shù)估計值的相關性

表4 方差分析

曲線估計參數(shù)a、b、c的相關性分別為0.965、0.843、0.754，根據(jù)相關系數(shù)判斷標準，a、b具有高度相關性，c具有顯著相關性，符合曲線估計相關性要求。函數(shù)關系曲線估計計算公式結(jié)果如下：

Y=ABS[3.8/（X+0.6）]-0.5

匯流比與水位差散點及關系曲線見圖1、圖2。

圖1 干支流匯流比與水位差散點圖

圖2 匯流比與水位差關系曲線

3.3 曲線檢驗

選用1998—2021年，共24年50場大小洪水進行檢驗，結(jié)果如表5。

表5 檢驗場次洪水統(tǒng)計表

根據(jù)茅坪站多年歷史資料檢驗反比例函數(shù)關系曲線，邵陽站洪峰流量達3 000 m3/s流量以上23場洪水場次的水位預報合格率為100%，2 000～3 000 m3/s流量35場洪水場次的水位預報合格率為94.3%，全部50場洪水場次合格率為82%。

3.4 峰現(xiàn)時間分析

選用1998—2021年，共24年41場邵陽站無復峰的洪水場次繪制邵陽站與茅坪站的峰現(xiàn)時間差曲線圖，結(jié)果見圖3。

圖3 匯流比與峰現(xiàn)時間差關系曲線

根據(jù)峰現(xiàn)時間差與干支流匯流關系曲線，匯流比越大，峰現(xiàn)時間差越穩(wěn)定，匯流比達5以上的32場洪水場次的峰現(xiàn)時間差均小于或等于2 h，匯流比低于5的18場洪水場次的峰現(xiàn)時間差不穩(wěn)定，處于（-3～4）h之間。

3.5 方案評定

根據(jù)《水文情報預報規(guī)范》,在調(diào)試參數(shù)時，擬合精度以《水文情報規(guī)范》GBT 22482-2008規(guī)定的兩種目標函數(shù)表達，即確定性系數(shù)準則和合格率準則。茅坪站洪水頂托構(gòu)建方案的預報等級見表6。

表6 茅坪站頂托洪水預報方案等級評定表

由上述參數(shù)率定結(jié)果可知，洪水過程擬合效果較好，水量平衡，洪水頂托系數(shù)符合茅坪站洪水交匯區(qū)的洪水特性，方案評定為乙級，可用于預報作業(yè)。

4 結(jié)論

邵水茅坪站受資水頂托和兩者流域面積差異影響，邵水洪水在總流量占比較小，水位流量關系復雜，因此在實際預報方案編制過程中，經(jīng)驗性方法居多。此次構(gòu)建的茅坪站洪水頂托方案具有一定預報能力。

1）資水復峰、兩河洪水錯峰影響兩站的洪峰水位差和峰現(xiàn)時間差，邵水退水后，資水再次出現(xiàn)復峰時，對茅坪站水位的影響復雜，需進一步研究。

2）本文對洪水頂托影響的探索研究，為未來預報交匯河道洪水頂托提供了參考依據(jù)，但未能代表所有發(fā)生洪水頂托影響的可能性，建議對交匯處河段進行實時水文監(jiān)測及分析，待數(shù)據(jù)完善后進行優(yōu)化分析。