王艷麗

(河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州 061000)

時變參數(shù)法在滹沱河洪水預報中的應用

王艷麗

(河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州 061000)

[摘要]滹沱河多年干涸、下墊面變化大，并且自獻縣樞紐建成后，很少發(fā)生較大洪水，實測大水資料缺少，給預報帶來很大困難。利用上下游相關法或者單一河道洪水演算已無法達到預報要求。對此，在滹沱河預報中提出了霍頓飽和下滲與馬斯京根分段連續(xù)演算方法相結合的河道洪水演算方法來解決預報精度問題。當發(fā)生大洪水時，泛區(qū)滯洪，將作為水庫調(diào)節(jié)來水，獻縣樞紐洪水預報同時還要進行調(diào)洪演算，以預報泛區(qū)水位及樞紐出流情況。洪水預報分析資料是基于96.8洪水的實測及考證水文資料。該方法利用當前水文數(shù)據(jù)對參數(shù)進行實時校正滾動預報，解決了滄州上游黃璧莊水庫泄洪至滹沱河洪水預報的問題。

[關鍵詞]時變參數(shù)；河道下滲；洪水演算；調(diào)洪計算

滹沱河屬海河流域子牙河水系，發(fā)源于山西省繁峙縣五臺山里麓，至河北省獻縣樞紐與滏陽河匯合后稱子牙河，河道全長685 km。上游建有崗南、黃壁莊兩座大型水庫，總庫容27.81億 m3,基本上控制了山區(qū)洪水。兩大水庫的設計標準為千年一遇。黃壁莊以下滹沱河設計行洪能力3 300 m3/s，相當于50 a一遇，獻縣泛區(qū)深槽泄洪能力400 m3/s。1967年開挖了滏陽新河、子牙新河，建立了子牙河節(jié)制閘、子牙新河泄洪閘及行洪灘地溢流堰等工程，獻縣樞紐設計行洪能力達到6 700 m3/s，主要接納上游滏陽河、滏陽新河及滹沱河的來水，該三河來水至獻縣閘前匯合，經(jīng)子牙河3孔節(jié)制閘、子牙新河6孔泄洪閘及子牙新河獻縣溢流堰(行洪灘地)下泄入海。滹沱河流域自20世紀70年代以來，在自然因素和人類活動的交互影響下，地下水位持續(xù)下降，地下水埋深大幅度增加，致使包氣帶變厚；1980年以后，大、中洪水發(fā)生的概率變小、間隔時間也越來越長，如1988年滹沱河主槽行洪，饒陽小堤決口；1996年滹沱河灘地行洪，饒陽南大堤決口，時間相隔了8 a，1996年至今快20 a了沒有發(fā)生較大洪水，且獻縣泛區(qū)滯洪僅96.8洪水一次，資料嚴重匱乏；由于河道多年不過水，且每次過水的初始條件(河道下滲率、糙率等)及量級不同，因此，使用現(xiàn)有資料對河道演算參數(shù)進行率定，以對未來洪水進行準確的預報成為一個大難題。隨著防汛要求的提高及計算機技術的廣泛使用，實時數(shù)據(jù)收集的準確及時，為時變參數(shù)法在滹沱河洪水預報應用中提供了前提。該方法利用當前水文數(shù)據(jù)對參數(shù)進行實時校正滾動預報，解決了滄州上游黃璧莊水庫泄洪至滹沱河洪水預報的問題。

1時變參數(shù)河道洪水演算的原理和方法

1.1預報思路

以96.8洪水為基礎，根據(jù)黃壁莊出流過程，扣除河道沿程損失，用馬斯京根法演算至下游斷面(北中山，姚莊(泛區(qū)入口))，根據(jù)姚莊(泛區(qū)入口)出流量和獻縣泛區(qū)水位容積曲線進行水庫調(diào)洪演算，預報出獻縣樞紐各項參數(shù)。

1.2基本原理

時變參數(shù)法是指時變參數(shù)河道洪水演算的方法。它根據(jù)北方干旱半干旱地區(qū)平原河道行洪的特點，建立以霍頓下滲曲線方法考慮河道滲漏等沿程損失的馬斯京根河道洪水演算模型，利用當前的水文報汛數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行實時校正，以提高預報精度。

采用霍頓下滲曲線對河道滲漏水量進行扣損計算，

f(t)=fc+(f0-fc)e-kt

(1)

式中：f為下滲率，mm/h；fc為穩(wěn)定下滲率，mm/h；f0為初始下滲率，mm/h；k為與擴散率有關的系數(shù)，與河床的物理特性有關；t為時間，h。

應用中，根據(jù)初始給定的f0、fc、k參數(shù)，按霍頓公式求出t時刻的下滲率，再由式(1)求出時段下滲量

Ft=B×L×ft×Δt

(2)

式中：Ft為時段下滲量，mm；B為計算河道的平均河寬，m；L為預報河段的河長，m；ft為t時刻的下滲率，mm/h；為計算時段長，h。

接著計算時段入流量

Wt=PtBL+(Qt-1+Qt)Δt

(3)

式中：Wt為時段內(nèi)上斷面的入水量，m3；Pt為時段內(nèi)的降水深，mm；Qt-1、Qt為t-1、t時刻上斷面的流量，mm/h；B為計算河道的平均河寬，m；L為預報河段的河長，m ；為計算時段長，h。

計算過程中當時段入流量小于時段下滲量，則入流量全部消耗于河道下滲，下斷面出流為0；如果時段入流量大于時段入滲量，則將入流量先扣除下滲量后再進行河道流量演算。

最后，采用馬斯京根法進行河道流量演算

Qt=C0It+C1It-1+C2Qt-1

(4)

式中：It、It-1為t和t-1時刻上斷面的流量；Qt、Qt-1為t和t-1時刻下斷面的流量；C0、C1、C2為流量系數(shù)，與k、x值有關；k為洪水流量在河段里的傳播時間，k=dW/dQ；x為馬斯京根參數(shù)，與洪水波的波速、擴散系數(shù)及河段長有關，其中：

(5)

且C0+C1+C2=1.0，若確定了參數(shù)k、x和計算時段后，可求得C0、C1、C2，再按式(4)逐時段計算，即可求得各時段下斷面的流量過程。

2河道預報成果

2.1選擇預報河段及資料情況

以96.8洪水資料為基礎，根據(jù)黃壁莊出游過程，扣除河道沿程損失，用馬斯京根法演算至下流斷面(北中山，姚莊(泛區(qū)入口))，根據(jù)姚莊(泛區(qū)入口)出流量和獻縣泛區(qū)水位容積曲線進行水庫調(diào)洪演算，預報出獻縣樞紐各項參數(shù)。

2.2河道洪水的演算成果

以中國水文預報系統(tǒng)為平臺，分兩段(黃壁莊至北中山，北中山至姚莊)進行河道演算，參數(shù)率定和流量預報。

(1)由96.8洪水黃壁莊水庫逐時出流過程，推求北中山站逐時洪水過程。

參數(shù)定義：

x：馬斯京根參數(shù)，反映河道槽蓄能力，河道越平，槽蓄變化越小，取值越小。范圍0.01～0.50 之間。

KK ：演算時段長度

MP：演算河道分段數(shù)

f0： 初始下滲率 mm/h

fc：穩(wěn)定下滲率 mm/h

fk：反映土壤物理性質(zhì)，范圍0-1

L：河長 單位km

W：平均水面寬 單位：m

率定成果：

x=0.029，KK=1，MP=15，f0=34.4，fc=1.7，fk=0.039，L=110.5，W=3200

根據(jù)率定成果參數(shù)，由黃壁莊出流過程推求出北中山出流過程，并與北中山實測流量進行比較，成果參見圖1、和表1。

圖1　96.8洪水北中山預報成果與實測過程對照圖

黃壁莊推流北中山洪峰時間洪峰流量洪峰流量誤差整體擬合度北中山實測1996.8.614:003500北中山預報1996.8.615:0035301%96%

從表1和圖1可看出，根據(jù)黃壁莊預報的北中山出流過程洪峰時間比實測晚約1 h，洪峰流量比實測大30 m3/s,誤差0.87%，預報的整個出流過程與北中山實測流量過程擬合度96%，預報成果良好。

(2)由96.8洪水北中山站逐時洪水過程，推求姚莊出流過程。

率定成果：

X=0.020，KK=1，MP=18，f0=17.0，fc=1.7，fk=0.039，L=70，W=2 500

根據(jù)率定成果參數(shù)，由北中山出流過程推求姚莊出流過程，并與姚莊北中山實測流量進行比較，成果參見圖2、和表2。

如上所示，根據(jù)北中山預報的姚莊出流過程洪峰時間比實測晚約2 h，洪峰流量比實測小53 m3/s,誤差2%，預報的整個出流過程與北中山實測流量過程擬合度93%，預報成果良好。

2.3預報應用

借助于中國洪水預報軟件平臺，根據(jù)96.8洪水的實測上、下斷面流量資料率定出一套參數(shù)，在實際應用中，一旦該預報河道上游來水，先用這套率定好的參數(shù)，可預報出下斷面的流量，再根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行實時校正，滾動預報。

圖2　96.8洪水姚莊預報成果與實測過程對照圖

北中山推流姚莊洪峰時間洪峰流量洪峰流量誤差整體擬合度姚莊實測1996.8.78:403298姚莊預報1996.8.711:0032452%93%

3調(diào)洪計算原理與方法

3.1基本原理

調(diào)演計算基本原理是水庫水量平衡方程。在時段Δt內(nèi)，入庫流量、出庫流量和水庫蓄水量之間變化的關系。當演算時段較短，以上公式忽略蒸發(fā)滲漏及庫區(qū)內(nèi)降雨情況，公式如下：

Q均⊿t-q均△t=⊿V

(6)

式中：Q均為時段內(nèi)入流均值；q均為時段內(nèi)出流均值；⊿V為時段內(nèi)水庫蓄量的變化。

將(6)式改寫為：V2/⊿t+q2/2 =(V1/⊿t+q1/2)+Q均-q1

(7)

式中1、2為時段始、末值。

由于V和q都是H的函數(shù)，因此由水庫的庫容曲線V=f(H)及出流曲線q=f(H)，可推求出

V/⊿t+q/2= f(H)，即為圖解法計算公式。

圖3　獻縣泛區(qū)水位～蓄水量關系曲線

3.2演算方法

利用圖解法對獻縣泛區(qū)進行調(diào)洪演算。根據(jù)原設計標準繪制的調(diào)洪工作曲線，查得數(shù)據(jù)后演算結果與96.8洪水實測相差太大，根本不能應用。圖3是泛區(qū)水位蓄量曲線，圖4是根據(jù)96.8洪水實測過程(⊿t=3小時)，繪制調(diào)洪工作曲線作為今后調(diào)洪演所使用成果圖。當上游發(fā)生大洪水，獻縣泛區(qū)將會啟用時，利用前面率定好的參數(shù)預報出泛區(qū)入口姚莊站流量，再根據(jù)預報入流過程，利用圖3進行調(diào)洪演算，從而得到泛區(qū)最高水位、時間、泛區(qū)出口最大流量及時間，并根據(jù)泛區(qū)淹沒曲線(圖5)，預測出泛區(qū)淹沒面積，為泛區(qū)制定可行性撤離方案提供技術支持。

圖4　根據(jù)獻縣96.8實測繪制的調(diào)洪工作曲線(⊿t=3小時)

圖5　獻縣泛區(qū)水位～淹沒面積關系曲線

4結語

(1)帶滲漏參數(shù)河道洪水演算方法將馬斯京根河道演算和霍頓下滲理論有機的組合在一起，理論可靠，方法可行；適用面廣，預報精度高；適用于資料少，常年不過水的北方河流。

(2)方法以中國洪水預報系統(tǒng)為平臺，需要河道斷面資料較少，對于具體的河道，河長、河寬資料比較穩(wěn)定。有斷面資料的河道可通過已有資料得到斷面參數(shù)，無斷面資料的河道可通過Google Earth測量得到，方法簡單可行。

(3)以96.8洪水為基礎，通過對黃壁莊至獻縣段的各項參數(shù)率定，得到大水情況下沿程河道的預報參數(shù)，可供今后大水情況預報方案使用。

(4)原有獻縣泛區(qū)調(diào)洪曲線已不能適用，今后泛區(qū)預報應參照根據(jù)96.8洪水繪制的調(diào)洪曲線進行預報。

(5)由于96.8洪水期間，衡水故城段發(fā)生決口，洪水并未入獻縣泛區(qū)，且決口處無相關資料確定決口洪水過程，由于缺少資料，因此未對泛區(qū)調(diào)洪情況進行洪水演算率定。

(6)因本文主要針對滹沱河來水情況進行預報的分析，因此未提及滏陽新河及滏陽河。實際工作中，若針對獻縣泛區(qū)進行預報，則就考慮到與此兩河道的洪水疊加問題。

參考文獻

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The application of time-varying parameters in the Hutuo River in flood forecast

WANG Yan-li

(Cangzhou hydrology and Water Resources Survey Bureau, Cangzhou，061000 Hebei)

Abstract:Hutuo River dried up for many years, the change of the underlying surface and since after the completion of the Xianxian hub rarely occurs and larger floods, lack of observed flood data and to forecast brought great difficulties. The use of the upper and lower reaches of the correlation method or a single channel flood routing has been unable to meet the requirements of the forecast. In this regard, in the Hutuo River forecast in the saturated Horton infiltration and Muskingum piecewise continuous calculation method combining the flood routing method to solve the problem of the precision of prediction. When the flood, flood detention basin, as a reservoir regulating runoff, Xianxian hub flood forecasting and also carry out the flood regulating calculation, to forecast the flood water level and hub out flow. Flood forecast and analysis data are based on the actual data of the 96.8 flood and the hydrological data. The method using the hydrological data of parameters for real-time correction of rolling forecast, to solve the problem of Cangzhou upstream reservoirs in the Yellow Bizhuang discharge to the Tuo River flood forecasting.

Key words:Time-arying parameter；river seepage；flood routing and flood calculation

[收稿日期]2016-01-08

[作者簡介]王艷麗(1982-)，女，河北滄州人，工程師，主要從事洪水預報工作。

[中圖分類號]P338+.6

[文獻標識碼]B

[文章編號]1004-1184(2016)03-0139-03