□王艷麗

周官屯穿運(yùn)樞紐工程是子牙新河、北排河與南運(yùn)河的交叉行洪工程，興建的主要目的，是為了妥善解決3 條河流之間交叉行洪的復(fù)雜矛盾，且有效調(diào)節(jié)南運(yùn)河水量，是滄州市防汛重點(diǎn)關(guān)注的預(yù)報(bào)斷面，通過建立適用于小水(主槽行洪)和大水(漫灘行洪)的洪水預(yù)報(bào)模型，可應(yīng)用于洪水作業(yè)預(yù)報(bào)，對子牙新河周官屯樞紐洪水期防汛調(diào)度尤為重要。

1.研究概況

周官屯穿運(yùn)樞紐工程是子牙新河、北排河與南運(yùn)河的交叉行洪工程，位于滄州青縣周官屯村南與馮官屯之間，由南運(yùn)河節(jié)制閘、子牙新河主槽涵洞、北排河涵洞、灘地平交埝等6 個(gè)主要部分共同組成，為解決子牙新河、北排河與南運(yùn)河交叉行洪的復(fù)雜矛盾及調(diào)度南運(yùn)河水量而建。南運(yùn)河與子牙新河采用平、立交形式交叉，在運(yùn)用上，應(yīng)盡量減少破平交埝的機(jī)遇，充分利用主槽涵洞泄洪，北排河涵洞工程設(shè)計(jì)處理方法與子牙新河主槽相類似，僅規(guī)模略小。為解決大水情況下，渡槽漂浮不穩(wěn)而建的引水壓槽工程由引水渠、引水涵洞和引水壓槽閘3 部分組成。子牙新河獻(xiàn)縣進(jìn)洪閘至周官屯穿運(yùn)樞紐河段全長81km，兩堤寬2km～3km，設(shè)計(jì)流量5500m3/s，校核流量8800m3/s。

隨著現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，為我國洪水預(yù)警預(yù)報(bào)管理系統(tǒng)的構(gòu)建應(yīng)用提供了先進(jìn)技術(shù)手段和條件，使得洪水預(yù)警預(yù)報(bào)信息在采集、傳輸、數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析、預(yù)警信號的發(fā)布和服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)融合在一起，實(shí)現(xiàn)了周官屯穿運(yùn)樞紐洪水預(yù)警預(yù)報(bào)聯(lián)機(jī)作業(yè)。根據(jù)設(shè)置的預(yù)報(bào)子牙新河周官屯穿運(yùn)樞紐洪峰流量、峰現(xiàn)時(shí)間及洪水總量任務(wù)，通過加載水情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)庫(包括降雨、水位、流量等數(shù)據(jù)資料)，根據(jù)當(dāng)前洪水形成的規(guī)律和具體特點(diǎn)，找出對應(yīng)模型計(jì)算公式，繼而確定洪水的預(yù)報(bào)方案，基于設(shè)置的洪水預(yù)報(bào)方案，將其計(jì)算結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)相互對比，求出相應(yīng)誤差，再重新調(diào)整相應(yīng)參數(shù)值，比較結(jié)果與誤差，直至誤差最小，即率定出參數(shù)的最優(yōu)值?；诮⒌念A(yù)報(bào)方案，為保證預(yù)測結(jié)果的精確性和可靠性，需將所制訂的預(yù)測方案，根據(jù)其允許的誤差程度標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行方案評定和檢驗(yàn)。該方案建好后即可對正在發(fā)生的強(qiáng)降雨及上游來水情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)報(bào)，推算得出將要發(fā)生的洪水量大小及發(fā)生洪水出現(xiàn)時(shí)間，用于子牙新河周官屯穿運(yùn)樞紐洪水期防汛調(diào)度工作，可為周官屯穿運(yùn)樞紐洪水期防汛減災(zāi)工程提供技術(shù)支撐。

2.周官屯穿運(yùn)樞紐洪水預(yù)報(bào)

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)模型法根據(jù)子牙新河獻(xiàn)縣至周官屯段(距離81km)過水資料，確定模型的輸入、輸出，選定計(jì)算模型，對歷史資料進(jìn)行模擬計(jì)算率定、驗(yàn)證，可用于周官屯穿運(yùn)樞紐洪水作業(yè)預(yù)報(bào)。

2.1 方案構(gòu)建

預(yù)報(bào)方案設(shè)置子牙新河獻(xiàn)縣進(jìn)洪閘實(shí)測流量為輸入，周官屯穿運(yùn)樞紐實(shí)測流量為輸出，分大水（灘地行洪）和小水（主槽行洪）兩套方案。

大水（灘地行洪）采用河北河道匯流模型（HBHDMODEL），方案輸入為獻(xiàn)縣30901400+30901402，輸出為周官屯30901600+30901602，方案計(jì)算時(shí)段為h，方案輸出類型為流量。

小水（主槽行洪）采用帶下滲馬斯京根分段連續(xù)演算模型（MSKLOSS），方案輸入為獻(xiàn)縣進(jìn)洪閘30901400，輸出為周官屯主槽30901600，方案計(jì)算時(shí)段為1h，方案輸出類型為流量。灘地行洪、主槽行洪結(jié)構(gòu)圖見圖1、圖2。

圖1 灘地行洪結(jié)構(gòu)圖

圖2 主槽行洪結(jié)構(gòu)圖

2.2 模型原理

2.2.1 模型原理

河北河道匯流模型（HBHDMOD?EL）河道沿程造成的損失計(jì)算，根據(jù)80年代后平原河道行洪的實(shí)際資料，先從模型輸入量中扣除河段損失，再進(jìn)行調(diào)洪演算的一種計(jì)算方法。

計(jì)算時(shí)先將輸入扣除損失，并考慮河段面上降雨，即：

式中：

Ip=Ia+ph-Fh；

Ph=PΔt×B×L/Δt；

Fh=FΔt×B×L/Δt；

Ia—輸入斷面平均入流；

Ph—河面時(shí)段雨量(P△t)；

Fh—t 時(shí)刻的下滲量/時(shí)段(F△t)；

B—計(jì)算河道的平均河道寬；

L—輸出河段的河道長；

t—計(jì)算時(shí)段長h。

河道下滲選用霍頓公式，計(jì)算時(shí)段短時(shí)，F(xiàn)(下滲率)×△t(時(shí)段長)=時(shí)段下滲量F△t。

表1 子牙新河周官屯穿運(yùn)樞紐率定目標(biāo)函數(shù)值統(tǒng)計(jì)表

表2 子牙新河周官屯穿運(yùn)樞紐預(yù)報(bào)率定場次洪水統(tǒng)計(jì)表

表3 子牙新河周官屯穿運(yùn)樞紐預(yù)報(bào)模型參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表4 周官屯洪水預(yù)報(bào)方案等級評定表

圖3 1988 年場次洪水率定圖

圖4 1996 年場次洪水率定圖

由于前期損失大，即霍頓公式中的fo 較大，模型輸入量首先滿足河道初損、下滲后，輸入量才能流到輸出斷面，故用累計(jì)輸入量（上游來水量）與累計(jì)入滲量之差，來扣除損失。

當(dāng) IWn≤0，Ipn=0；IWn＞0， I，pn=IWn-IWn-1

式中：

IWn—第n 時(shí)段累計(jì)入流（包括河面降雨）與累計(jì)下滲之差；

其他符號同前；

Iat、Pht、Fht—時(shí)段平均值（單位m3/s）；

Ipn—第n 時(shí)段平均入流。

馬斯京根分段連續(xù)演算模型（MSKLOSS），由G.T.麥卡錫提出，在馬斯京根河得到應(yīng)用和研究，可用于匯流演算。分析河段從輸入到輸出有水量損失時(shí)，即河段槽蓄量的變化等于過水流量與入滲量沿程變化之和。

將上式（3）轉(zhuǎn)化為上述平衡方程，簡之為計(jì)算河段的槽蓄方程，則分別為：

式中：

dW—計(jì)算時(shí)段內(nèi)河道槽蓄量變化；

I—河段平均輸入量；

Q—河段平均輸出量；

F—河段平均入滲流量。

令I(lǐng)′=I-F，則式(4)和式(5)分別變?yōu)椋?/p>

根據(jù)下滲經(jīng)驗(yàn)公式，如河道平均河寬為B，河段全長為ΔL，則Δt 時(shí)段的入滲量F 為：

計(jì)算時(shí)，根據(jù)ΔL 及過水資料中的傳播時(shí)間來定Δt，將河逐一分成單元來分別演算。輸入量進(jìn)入Ⅰ單元開始算入滲量（F），求出凈輸入量（R）后由R 計(jì)算至Ⅱ河段，Ⅱ單元河段再計(jì)算自身河長的R，同時(shí)演算至Ⅲ單元河段……，直到輸出斷面為止。在此，預(yù)報(bào)河道入滲量全程發(fā)生時(shí)時(shí)變動(dòng)，同一個(gè)單元的河道在不同的時(shí)間段也發(fā)生著時(shí)時(shí)變動(dòng)。這種將馬斯京根分段連續(xù)演算方法與霍頓的飽和入滲方程相融合，就建立了一個(gè)從入流到出流，從地表至地下的計(jì)算框架，模擬了洪水在傳播過程中由河道向地下滲漏及洪水波向下游傳播的過程。

圖5 周官屯站作業(yè)預(yù)報(bào)結(jié)果圖

2.2.2 模型參數(shù)

河北河道匯流模型（HBHDMOD?EL）中：

W—河道平均水面寬度，m；

L—河長，km；

HK—霍頓下滲曲線參數(shù)；

AH—1km 河長的匯流時(shí)間；

BH—斷面形狀參數(shù)，河道匯流取值小于0.4；

TH—河段上下斷面的傳播時(shí)間，h；

HFI—初始下滲率，mm/h；

HFC—穩(wěn)定下滲率，mm/h；

馬斯京根分段連續(xù)演算模型（MSKLOSS）中：

x—反應(yīng)河道對上游來水調(diào)蓄情況。河道越平坦，取值越小，范圍在0.01～0.5 之間；

KK—演算時(shí)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—下滲常數(shù)，反映土壤物理性質(zhì)，取值范圍0～1；

L—河長，km；

W—水面寬度，m。

2.3 參數(shù)率定

2.3.1 模型率定結(jié)果

方案率定分小水（主槽行洪）和大水（灘地行洪），分別采用1988 年和1996 年洪水資料，目標(biāo)函數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。

參數(shù)率定結(jié)果由率定結(jié)果可知，1988 年場次洪水中預(yù)報(bào)洪峰流量為237m3/s，而實(shí)測洪峰流量252m3/s，相對誤差6%；預(yù)報(bào)洪水總量180×106m3，而實(shí)測洪水總量為199×106m3，相對誤差9.5%，能達(dá)到《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GBT22482-2008)中規(guī)定的許可誤差小于20%。見圖3。

1996 年場次洪水中預(yù)報(bào)洪峰流量為1463m3/s，而實(shí)測洪峰流量1588m3/s，相對誤差7.9%；預(yù)報(bào)洪水總量1786×106m3，而實(shí)測洪水總量為1787×106m3，相對誤差0.1%，能達(dá)到《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GBT22482-2008）中規(guī)定的許可誤差小于20%的。見圖4。

子牙新河周官屯穿運(yùn)樞紐預(yù)報(bào)率定場次洪水統(tǒng)計(jì)見表2。

2.3.2 模型參數(shù)見表3

2.3.3 模型檢驗(yàn)

用最近年份2016 年7 月19 日實(shí)測洪水驗(yàn)證模型，洪水屬于小水（主槽行洪），采用對應(yīng)小水（主槽行洪）參數(shù)，作業(yè)預(yù)報(bào)驗(yàn)證結(jié)果見圖5。

2.4 預(yù)報(bào)方案

根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GBT22482-2008），在率定調(diào)參時(shí)，擬合的精度可用兩種目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行表達(dá)，即確定性系數(shù)準(zhǔn)則和合格率準(zhǔn)則。因滄州地處平原，過水年份較少，方案率定時(shí)使用洪水資料少，達(dá)不到規(guī)范場次標(biāo)準(zhǔn)，方案的評定暫以率定結(jié)果中的確定性系數(shù)準(zhǔn)則為依據(jù)。預(yù)報(bào)斷面的預(yù)報(bào)等級見表4。

3.結(jié)論與建議

周官屯穿運(yùn)樞紐按小水主槽行洪和大水漫灘行洪貼合當(dāng)?shù)貙?shí)際過水情況，模型程序化提高了預(yù)報(bào)的精度和時(shí)效性，通過近期洪水檢驗(yàn)，從洪峰流量和洪水過程擬合度上，預(yù)報(bào)精度效果很好。因滄州地處平原，過水年份較少，方案率定時(shí)使用洪水資料少，達(dá)不到規(guī)范場次標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)報(bào)方案降低使用，建議結(jié)合傳統(tǒng)預(yù)報(bào)方法和預(yù)報(bào)人員經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際洪水情況及見水后實(shí)測流量滾動(dòng)作業(yè)預(yù)報(bào)?！?/p>