◎陸　琪

概念性推理模型在過風(fēng)樓水文站洪水預(yù)報(bào)的應(yīng)用

◎陸琪

1　基本情況

1.1預(yù)報(bào)方案建立的目的意義

過風(fēng)樓水文站處于商洛市商南縣過風(fēng)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(shè)立的專用水文站，控制面積6398.5km2。2010年蓮花臺(tái)電站在距過風(fēng)樓水文站下游34km處施工，汛期施工急需上游洪水信息的報(bào)送，因此該站預(yù)報(bào)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(guān)附近（商南縣汪家店鄉(xiāng)月亮灣）出陜境進(jìn)入河南省淅川縣，向南在湖北省丹江口市注入丹江口水庫(kù)。商洛境內(nèi)流域面積7478.3km2，上游商州有二龍山、南秦水庫(kù)和王山溝，庫(kù)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?kù)，庫(kù)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(kù)，庫(kù)容分別為667萬m3和264萬m3，控制流域面積127.5km2。占過風(fēng)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(zhǎng)42km為河源峽谷段；商州城至丹鳳月日灘，河長(zhǎng)68km為商—丹盆地段；丹鳳月日灘至竹林關(guān)之間，河長(zhǎng)48km為流嶺峽谷段；竹林關(guān)至商南月亮灣，河長(zhǎng)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(shí)間較長(zhǎng)，峰形較胖。

1.3站網(wǎng)分布

過風(fēng)樓水文站上游有3處流域報(bào)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(guān)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(shè)有麻街水文站，控制面積326km2，支流板橋河上設(shè)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(fēng)樓站控制面積的69%，區(qū)間面積占31%，區(qū)間報(bào)訊雨量站有6處。

2　預(yù)報(bào)方案建立

圖1過風(fēng)樓水文站測(cè)站位置示意圖

2.1預(yù)報(bào)方案建立的思路

由于過風(fēng)樓站為新設(shè)站，洪水資料不足，上下游相關(guān)法、降雨徑流法等預(yù)報(bào)方法暫不具備條件，故對(duì)過風(fēng)樓預(yù)報(bào)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(yù)報(bào)方案不予考慮。二龍山水庫(kù)、南秦水庫(kù)、王山溝水庫(kù)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(kù)和式馬水庫(kù)由于控制面積較小可以忽略。丹鳳、武關(guān)、竹林關(guān)三站，對(duì)過風(fēng)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(jìn)行洪水的演進(jìn)推理，制作模型，進(jìn)行預(yù)報(bào)。

2.2方法

當(dāng)?shù)P、武關(guān)、竹林關(guān)各站的洪水波向下游傳進(jìn)時(shí)，把洪水波概化為互不干擾，而且中途傳進(jìn)流量大小不變，預(yù)報(bào)時(shí)用丹鳳，武關(guān)、竹林關(guān)水文站實(shí)測(cè)河道流量資料。依據(jù)水文站某時(shí)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(jì)算匯流時(shí)間，推算各站洪水傳播演進(jìn)到過風(fēng)樓的流量過程。當(dāng)多站漲水時(shí)，疊加各水文站流量推演過程，再加上區(qū)間來水，得出過風(fēng)樓站出現(xiàn)的流量過程。用此方法制作預(yù)報(bào)。

2.2.1河長(zhǎng)的量算

量取丹鳳、武關(guān)、竹林關(guān)水文站基本斷面至過風(fēng)樓水文站河長(zhǎng)L，詳見表1。

表1　根據(jù)預(yù)報(bào)站到預(yù)報(bào)站河長(zhǎng)量算表

2.2.2分析上游水文站流速分布

抄錄丹鳳、武關(guān)、竹林關(guān)斷面流速與流量對(duì)應(yīng)的歷史水文年鑒數(shù)據(jù)，繪制Q～A關(guān)系線。以近年數(shù)據(jù)向前推，點(diǎn)子以中、高、低水點(diǎn)子分布均勻?yàn)樵瓌t，進(jìn)而分別建立本站流量與斷面平均流速的關(guān)系曲線Q～v。

2.2.3匯流時(shí)間確定

根據(jù)河道洪水波運(yùn)動(dòng)原理，用t=L/r、r=1.33*v（v是相應(yīng)流量對(duì)應(yīng)的平均流速），用各站出現(xiàn)的流量，查讀各自相應(yīng)流量對(duì)應(yīng)的平均流速，用以上公式求出丹鳳、武關(guān)、竹林關(guān)水文站匯流至過鳳樓和蓮花臺(tái)電站的匯流時(shí)間，用匯流時(shí)間加上發(fā)生時(shí)刻成為該流量在過風(fēng)樓出現(xiàn)時(shí)間，用這個(gè)時(shí)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(guān)及竹林關(guān)得到的三個(gè)流量過程，根據(jù)時(shí)間的先后順序，引用在另一個(gè)Excel工作表上，對(duì)于相應(yīng)時(shí)間上無流量的站，按照時(shí)間進(jìn)行內(nèi)插補(bǔ)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(jì)算

圖2　商洛市徑流深與徑流模數(shù)關(guān)系曲線圖

考慮各水文站基本斷面到過風(fēng)樓水文站區(qū)間降雨情況，根據(jù)計(jì)算的前期影響雨量結(jié)合時(shí)段降雨量計(jì)算凈雨量，由已知凈雨量R和徑流模數(shù)M的關(guān)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(jìn)行。

（1）區(qū)間流域前期土壤含水雨量Pa的計(jì)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(yàn)系數(shù)0.85計(jì)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(jì)算

根據(jù)區(qū)間雨量站的分布，用泰森多變形法計(jì)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(gè)數(shù)；

（3）徑流深R的計(jì)算

根據(jù)本區(qū)間氣候特點(diǎn)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(jì)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(cè)以80mm計(jì)。

（4）區(qū)間徑流模數(shù)推求

先計(jì)算區(qū)間雨強(qiáng)，再由商洛市徑流深與徑流模數(shù)關(guān)系的分析成果，見圖2，由計(jì)算的徑流深R和雨強(qiáng)i，若果雨強(qiáng)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(jì)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(yīng)減去區(qū)間庫(kù)區(qū)控制面積（km2）。

3　作業(yè)預(yù)報(bào)步驟

（1）計(jì)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(jì)算區(qū)間平均降雨量P和降雨強(qiáng)度i，進(jìn)而計(jì)算區(qū)間產(chǎn)流深R，由時(shí)段降雨度i在R～M的關(guān)系圖中查算產(chǎn)流模數(shù)M。根據(jù)公式Q區(qū)=MA區(qū)計(jì)算Q區(qū)。

（2）根據(jù)上游丹鳳、武關(guān)、竹林關(guān)站出現(xiàn)流量及時(shí)間，填寫過風(fēng)樓站預(yù)報(bào)方案計(jì)算表內(nèi)實(shí)時(shí)流量計(jì)算表；根據(jù)計(jì)算出的匯流時(shí)間，在流量疊加表內(nèi)根據(jù)匯流時(shí)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(yīng)時(shí)間區(qū)間流量Q區(qū)，得出測(cè)站預(yù)報(bào)斷面流量Q預(yù)報(bào)。

4　方案使用效果評(píng)價(jià)

本預(yù)報(bào)方案在2010年建立后使用至今，已有5年，本方案使用簡(jiǎn)單，預(yù)報(bào)結(jié)果較為可靠。在通過5年的作業(yè)預(yù)報(bào)的實(shí)踐中，據(jù)統(tǒng)計(jì)洪峰流量預(yù)報(bào)合格率在80%以上，峰現(xiàn)時(shí)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(dá)到了良好預(yù)報(bào)效果。

5　結(jié)語(yǔ)

過風(fēng)樓水文站是丹江干流下游重要控制站，該站的水文信息對(duì)測(cè)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(duì)過風(fēng)樓水文站預(yù)報(bào)方案的建立是一次對(duì)一個(gè)無資料水文站預(yù)報(bào)方案建立的探索，本方案的預(yù)報(bào)思路和方法的實(shí)踐應(yīng)用，為做其它類似條件的測(cè)站預(yù)報(bào)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(cè)局工程師

（責(zé)任編輯：王劍）