由宇軍，富康平，宋淑紅

（陜西省水文水資源勘測(cè)局，陜西 西安 710068）

窟野河流域是黃河中游暴雨中心區(qū)之一，窟野河流域洪水主要由暴雨形成，窟野河流域內(nèi)的洪水峰高量小、洪峰尖瘦、暴漲暴落，歷史上暴雨洪水給當(dāng)?shù)厝罕娚?cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重?fù)p失。神木水文站，位于窟野河中游陜西省神木市南郊五里墩，設(shè)于1951年10月，1955年8月16日斷面上遷450 m，1956年1月1日斷面下遷2400 m，站名為神木（二）觀測(cè)至今，屬國(guó)家重要水文站。研究該站洪水預(yù)報(bào)方法為神木市防汛決策提供可靠依據(jù)，對(duì)該市防汛減災(zāi)十分必要。故文中采用合成流量法對(duì)神木站洪峰流量進(jìn)行預(yù)報(bào)。

1 流域概況

窟野河為黃河右岸一級(jí)支流，全河長(zhǎng)242.0 km，流域面積8706 km2，河道比降2.6‰，其中陜西省境內(nèi)河長(zhǎng)157.9 km，流域面積4071 km2，為我省境內(nèi)較大流域之一。上游稱烏蘭木倫河，發(fā)源于內(nèi)蒙古伊金霍洛旗蘇布爾嘎鎮(zhèn)阿爾胡德梁村楊家壕四組東南。干流略呈“丫”字型，河流總體流向?yàn)樽晕鞅毕驏|南，在活雞兔溝入河口進(jìn)入陜西省境內(nèi)，再向南，在房塔以西稱為烏蘭木倫河。最大支流悖牛川發(fā)源于內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗準(zhǔn)格爾召鎮(zhèn)烏蘭哈達(dá)村神山活子，河流自河源向東南至暖水川入河口，向西南至沙家塔進(jìn)入陜西省神木市。

2 水文站網(wǎng)

（1）預(yù)報(bào)站

神木水文站位于陜西省神木縣南郊五里墩，地處東經(jīng)110°30′，北緯38°48′，屬國(guó)家重要水文站，本站系窟野河中游干流控制站，集水面積7298 km2，河長(zhǎng)168 km，距河口距離74.2 km，河道平均比降為3.44‰。實(shí)測(cè)最大流量13800 m3/s，實(shí)測(cè)最大含沙量1570 kg/m3，多年平均徑流量4.888億m3，多年平均輸沙量0.612億t，多年平均降水量427.8 mm。

（2）預(yù)報(bào)根據(jù)站

神木水文站上游烏蘭木倫河設(shè)有王道恒塔水文站，為國(guó)家基本水文站，1958年10月建站，位于神木縣店塔鎮(zhèn)牛皮塔村，東經(jīng)110°24′，北緯39°04′，斷面以上集水面積3839 km2，距神木站33.6 km。

上游主要支流悖牛川設(shè)有新廟水文站，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗新廟鎮(zhèn)古城壕村，東經(jīng)110°22′，北緯39°21′，斷面以上集水面積1527 km2，距神木站69.8 km。

（3）區(qū)間雨量站

區(qū)間集水面積1932 km2，共設(shè)有8個(gè)雨量站，分別為：?jiǎn)碳伊?、秦家溝、張家村、蘆草溝、老高川、店塔、麻家塔、大昌汗。其中有長(zhǎng)系列觀測(cè)資料的站4個(gè)，分別為喬家梁、秦家溝、張家村、蘆草溝。

王道恒塔和新廟至至神木站區(qū)間站網(wǎng)見表1。

此次編制神木水文站合成流量預(yù)報(bào)方案，采用神木站1969年～2017年共49年洪峰流量大于1000 m3/s的洪水資料系列，共選取洪水場(chǎng)次34場(chǎng)（篩除了11場(chǎng)上游未漲水或上下游不具有相關(guān)關(guān)系的洪水）。其中1969年～2000年為方案編制資料系列，2001年～2017年作為方案檢驗(yàn)資料系列。

方案所選的資料均來自水文年鑒，可靠性較好，能充分反映出干支流洪水的演進(jìn)變化規(guī)律，同時(shí)包括大、中、小各代表年份的洪水,具有很好的代表性，符合《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》的要求，水文站上下游沒有較大的水利工程影響，資料一致性也較好。

3 預(yù)報(bào)方案的建立

3.1 預(yù)報(bào)原理

窟野河神木站上游為沙丘和流沙覆蓋區(qū)，地處毛烏素沙漠的東南邊緣，屬于半干旱地區(qū)，為超滲產(chǎn)流地區(qū)，上游干支流由王道恒塔水文站和新廟水文站控制，區(qū)間流域面積為1932 km2，可采用合成流量法進(jìn)行預(yù)報(bào)。

表1 王道恒塔和新廟至至神木站區(qū)間站網(wǎng)一覽表

圖2 王道恒塔至神木站洪峰流量傳播時(shí)間相關(guān)曲線圖

根據(jù)上游及區(qū)間來水情況采用烏蘭木倫河王道恒塔站洪峰流量與悖牛川新廟站的相應(yīng)流量合成作為合成流量或以悖牛川新廟站洪峰流量與烏蘭木倫河王道恒塔站的相應(yīng)流量合成作為合成流量，以區(qū)間降雨量為參數(shù)，與神木站相應(yīng)流量建立相關(guān)關(guān)系，形成合成流量預(yù)報(bào)方案，預(yù)報(bào)神木站洪峰流量，見圖1。

基本數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Q神t+τ為神木站（t+τ）時(shí)刻的流量，m3/s；Q合、t為上游各站相應(yīng)流量之和的合成流量，m3/s；P區(qū)間、t+τ為區(qū)間時(shí)段降水量，mm；τ為洪峰傳播神木站的歷時(shí)，h。

圖1 合成流量法原理圖

3.2 預(yù)報(bào)要素分析計(jì)算

3.2.1 洪水傳播歷時(shí)的確定

1）王道恒塔站至神木站洪水傳播歷時(shí)

王道恒塔站至神木站區(qū)間河長(zhǎng)為33.6 km，選取典型洪水上下游站相應(yīng)洪峰流量資料，計(jì)算每場(chǎng)洪水的洪峰流量從王道恒塔站傳播到神木站的時(shí)間作為傳播時(shí)間τ，并點(diǎn)繪王道恒塔～神木站傳播時(shí)間τ相關(guān)曲線。根據(jù)相關(guān)曲線洪峰流量在3000 m3/s以上時(shí)，傳播時(shí)間為1.5 h～2 h；2000 m3/s～3000 m3/s時(shí)，傳播時(shí)間為 2 h～2.5 h；1000 m3/s～2000 m3/s時(shí)，傳播時(shí)間為2.5 h～3.5 h。王道恒塔站至神木站洪水傳播時(shí)間相關(guān)曲線見圖2。

2）王道恒塔站至悖牛川匯入口洪水傳播歷時(shí)

王道恒塔站距悖牛川匯入口5.0 km，洪水傳播歷時(shí)用王道恒塔站至神木站站洪水傳播歷時(shí)按距離內(nèi)插求出。依據(jù)相關(guān)曲線，洪峰流量在3000 m3/s以上時(shí)，傳播時(shí)間為0.23 h～0.3 h；2000 m3/s～3000 m3/s時(shí)，傳播時(shí)間為 0.3 h～0.38 h；1000 m3/s～2000 m3/s時(shí)，傳播時(shí)間為0.38 h～0.53 h。王道恒塔站至悖牛川匯入口洪水傳播時(shí)間相關(guān)曲線見圖3。

圖3 王道恒塔站至悖牛川匯入口洪峰流量傳播時(shí)間相關(guān)曲線圖

3)新廟站至悖牛川匯入口相應(yīng)洪水傳播歷時(shí)

新廟站至悖牛川匯入口40.1 km，選取新廟站歷年各級(jí)水位的實(shí)測(cè)流量資料，點(diǎn)繪斷面平均流速與相應(yīng)流量的關(guān)系圖，由不同量級(jí)的流量查出斷面平均流速，再計(jì)算出各級(jí)流量下的洪水傳播歷時(shí)。

相應(yīng)洪水傳播歷時(shí)用公式為：

式中：τ為洪水傳播歷時(shí)，h；L為新廟站至河口的距離，km；v為新廟站實(shí)測(cè)斷面平均流速，m/s；λ為斷面形狀系數(shù)，取1。

根據(jù)相關(guān)曲線流量在3000 m3/s以上時(shí)，傳播時(shí)間為1.8 h～2 h；1000 m3/s～3000 m3/s時(shí)，傳播時(shí)間為 2 h～2.5 h。

新廟站至悖牛川匯入口相應(yīng)洪水傳播時(shí)間相關(guān)曲線見圖4。

圖4 新廟站至悖牛川匯入口相應(yīng)流量傳播時(shí)間相關(guān)曲線圖

4)新廟站至神木站相應(yīng)洪水傳播歷時(shí)

新廟站至神木站69.8 km，選取新廟站歷年各級(jí)水位的實(shí)測(cè)流量資料，點(diǎn)繪斷面平均流速與相應(yīng)流量的關(guān)系圖，由不同量級(jí)的流量查出斷面平均流速，再計(jì)算出各級(jí)流量下的洪水傳播歷時(shí)。

根據(jù)相關(guān)曲線流量在3000 m3/s以上時(shí)，傳播時(shí)間為3.2 h～3.6 h；1000 m3/s～3000 m3/s時(shí)，傳播時(shí)間為 3.6 h～4.5 h。新廟站至神木站相應(yīng)洪水傳播時(shí)間相關(guān)曲線見圖5。

圖5 新廟站至神木站相應(yīng)流量傳播時(shí)間相關(guān)曲線圖

3.2.2 合成流量的計(jì)算

本方案合成流量是指王道恒塔站洪峰流量與新廟站相應(yīng)流量之和或新廟站洪峰流量與王道恒塔站相應(yīng)流量之和。即：

根據(jù)上游來水情況，具體推求方法如下：

1）以烏蘭木倫河王道恒塔站為主的洪水

①根據(jù)王道恒塔站洪峰流量Q王峰出現(xiàn)時(shí)間及傳播至悖牛川匯入口的歷時(shí)，推求王道恒塔站洪峰流量Q王峰到達(dá)悖牛川匯入口的時(shí)間，②用王道恒塔站洪峰流量Q王峰傳播至悖牛川匯入口的時(shí)間減去新廟站洪水傳播歷時(shí)，即為新廟站相應(yīng)流量時(shí)間，以此在新廟流量過程線上推算出新廟站相應(yīng)流量Q新相應(yīng)。③用王道恒塔站洪峰流量Q王峰和新廟站相應(yīng)流量Q新相應(yīng)相加推求Q合。

2）以悖牛川新廟站為主的洪水

根據(jù)新廟站洪峰流量Q新峰出現(xiàn)時(shí)間及傳播至悖牛川匯入口的歷時(shí)，推求新廟站洪峰流量Q新峰到達(dá)悖牛川匯入口的時(shí)間。②用新廟站洪峰流量Q新峰傳播至悖牛川匯入口的時(shí)間減去王道恒塔站洪水傳播歷時(shí)，即為王道恒塔站相應(yīng)流量時(shí)間，以此在王道恒塔流量過程線上推算出Q王相應(yīng)。③用新廟站洪峰流量Q新峰和Q王相應(yīng)相加推求Q合。

3）區(qū)間降雨推求

根據(jù)神木站峰現(xiàn)時(shí)間，依據(jù)區(qū)間雨量站相應(yīng)時(shí)段降水量采用泰森多邊形法計(jì)算洪峰出現(xiàn)之前區(qū)間面雨量，各代表站權(quán)重見表2。

表2 代表站權(quán)重（7站）

3.3 建立相關(guān)關(guān)系

統(tǒng)計(jì)計(jì)算各次洪水的合成流量與神木站實(shí)測(cè)流量以區(qū)間降雨量為第三參數(shù)，建立相關(guān)關(guān)系，合成流量預(yù)報(bào)神木站洪峰流量相關(guān)圖見圖6。

圖6 神木站洪峰流量預(yù)報(bào)圖

3.4 方案預(yù)見期

根據(jù)神木站洪峰流量與傳播時(shí)間關(guān)系，將洪水傳播歷時(shí)按神木站洪峰流量的量級(jí)進(jìn)行規(guī)劃,大致劃分成三個(gè)時(shí)間段，使方案在實(shí)際預(yù)報(bào)操作時(shí)便于確定，方案的預(yù)見期為1 h～6 h。神木站洪水預(yù)報(bào)方案的預(yù)見期見表3。

表3 方案預(yù)見期表

4 方案評(píng)定與檢驗(yàn)

4.1 方案評(píng)定

分別對(duì)各次洪水的洪峰流量、洪峰出現(xiàn)時(shí)間按照許可誤差法進(jìn)行評(píng)定，得到神木站合成流量法方案總體評(píng)定結(jié)果見表4。

表4 合成流量法洪水預(yù)報(bào)方案評(píng)定結(jié)果表

4.2 方案的檢驗(yàn)

使用2000年～2014年3場(chǎng)洪水進(jìn)行方案的精度檢驗(yàn),洪峰流量和峰現(xiàn)時(shí)間檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 合成流量法洪水預(yù)報(bào)方案精度檢驗(yàn)結(jié)果表

由表5可知，3次洪水洪峰合格率66.7%，為丙等；洪峰出現(xiàn)時(shí)間合格率100%，為甲等。根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T 22482-2008）的規(guī)定方案總體等級(jí)為乙等。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

合成流量法方案評(píng)定等級(jí)乙等，根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》的規(guī)定，方案可以用于發(fā)布正式預(yù)報(bào)。

5.2 建議

（1）在方案編制過程中篩除了一部分主要由區(qū)間來水形成的洪水過程，根據(jù)上下游站實(shí)測(cè)洪水過程，存在完全由區(qū)間降雨形成的洪水過程，在實(shí)際應(yīng)用中遇到完全由區(qū)間降雨形成的洪水過程，預(yù)報(bào)精度將無法保證，有待于進(jìn)一步研究由區(qū)間降雨形成的洪水過程的產(chǎn)匯流規(guī)律，完善本站的預(yù)報(bào)方案。

（2）根據(jù)上下游洪峰流量實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)分布情況，當(dāng)區(qū)間降雨較大時(shí)上下游相關(guān)性較差，相應(yīng)預(yù)報(bào)誤差較大。

（3）區(qū)間雨量站僅有5個(gè)，雨量站設(shè)置偏少，且在流域以內(nèi)分布不合理，雨量資料多數(shù)年份觀測(cè)時(shí)段為6小時(shí)，不能控制區(qū)間降雨量及降雨強(qiáng)度，致使部分場(chǎng)次洪水洪峰流量上下游出現(xiàn)不相應(yīng)、不合理現(xiàn)象，建議加強(qiáng)該地區(qū)雨量站網(wǎng)建設(shè)。

（4）沒有考慮區(qū)間人類活動(dòng)對(duì)產(chǎn)匯流的影響，從2000年以來神木站漲水情況看，有部分較大洪水出現(xiàn)反?，F(xiàn)象，建議進(jìn)一步研究窟野河流域人類活動(dòng)對(duì)產(chǎn)匯流的影響因素。

（5）2000年以來，神木站較大的洪水過程較少（洪峰流量1000 m3/s僅3場(chǎng)），需要今后的大洪水過程資料對(duì)預(yù)報(bào)方案進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗(yàn)。