高敏 紀彭 郭含 鄒振華

摘要：漢口水文站是長江中游干流重要的防洪控制站，為了給洪水預報決策提供更準確的數(shù)據(jù)支撐，需要優(yōu)化漢口水文站報汛方案以提高報汛精度。分析了漢口水文站高洪期單值化法與臨時曲線法報汛方案，并與實測值對比進行了精度驗證。結(jié)果表明：采用臨時曲線法報汛時，漢口水文站在高洪期受下游頂托時，相應流量報汛存在“上下跳動”的現(xiàn)象;采用單值化法報汛效果較好，特別是在受下游來水頂托時該方法的精度更高。

關鍵詞：報汛方案;水位-流量曲線;單值化法;臨時曲線法;高洪期;漢口水文站

中圖法分類號：P338 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.05.002

文章編號：1006 - 0081（2021）05 - 0006 - 04

1 研究背景

2005年，長江水利委員會水文局（以下簡稱“水文局”）率先在全國實現(xiàn)了118個中央報汛站自動報汛，遙測項目主要為水位和降水[1]。2010年至今，水文局運用水情信息交換系統(tǒng)進行水情報汛與信息交換，由于流量尚未實現(xiàn)在線監(jiān)測，水情分中心主要根據(jù)水位變化進行相應流量報汛[2]。相應流量報汛方法通常根據(jù)各水文站的水位流量關系特性來確定，目前較為常用的方法有水位流量單一線法、臨時曲線法、單值化法以及差分模型等[3-5]。漢口水情分中心負責的5個水文站一直采用臨時曲線法進行相應流量報汛，流量誤差精度滿足相關要求。

2020年，長江武漢河段受到洞庭湖和鄱陽湖“上下夾擊”，長期處于高水位，尤其是鄱陽湖以及鄂東北倒、舉、巴、浠等中小河流的頂托影響，導致漢口（武漢關）水文站（以下簡稱“漢口站”）流量在同一水位級下偏小，雖然采用臨時曲線法開展相應流量報汛的精度能夠滿足要求，但在一些時段仍存在“上下跳動”的現(xiàn)象（圖1）。作為長江中游的防洪控制站，漢口站高洪期的水情受到了社會各界的廣泛關注。為給上級部門預報決策提供更為準確的數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)精準發(fā)布相應流量信息，需要對高洪期相應流量報汛方案作出優(yōu)化。漢口站現(xiàn)行整編方法采用的是單值化法，它滿足在多種水力因素影響條件下整編定線要求，在一般年份可以定出符合規(guī)范要求的水位-流量單一關系線[6]，但在相應流量報汛方面一直未開展單值化法的研究。本文通過進一步分析漢口站單值化方案，挑選有代表性的年份率定公式參數(shù)，研究漢口站高洪期單值化報汛方案，可為臨時曲線法相應流量報汛提供參考。

2 基本情況

2.1 漢口站基本情況

漢口站始建于1865年，站址位于湖北省武漢市武漢關，是監(jiān)測長江中游干流武漢河段在漢江匯入后水沙資料的基本水文站?；舅邤嗝嫖挥陂L江中游干流左岸武漢關，上游左岸約3 200 m處有漢江匯入，流量測驗斷面位于基本水尺斷面下游約5 400 m，測驗斷面呈單式河床，左淺右深。左岸河床由細沙組成，沖淤變化較大，右岸河床由粗沙組成，河底不平順，主槽偏右較穩(wěn)定。河段順直，下游呈喇叭型，兩岸均筑有砌石護坡，大堤腳有防浪林。

漢口站集水面積1 488 036 km2，多年平均年徑流量7 058億m3，年平均降水量1 217.0 mm，歷史最高洪水位為29.73 m（1954年8月8日），最低水位11.70 m（1961年2月15日），最大流量76 100 m3/s（1954年8月14日），最小流量4 830 m3/s（1963年2月7日），水位級劃分見表1。全年采用單值化法——落差指數(shù)法，按單一線布點和資料整編。

2.2 2020年水情概述

2020年1～5月長江流域降雨偏少，受上游來水較小的影響，長江武漢河段底水低，水位較往年偏低1～2 m。進入6月份，受上游區(qū)域性暴雨影響，長江武漢河段水位開始上漲。由于5月29日入梅，較往常偏早10 d，且6月份以后長江流域降水量比多年平均值偏多兩成，7月7日07：00，漢口站水位達到警戒水位27.30 m，7月12日23：00水位達到28.77 m，為建站以來第四高水位。伴隨著長江第1，2，3號洪水相繼形成，中下游干流武漢河段長期處在高水位，超警時間達到32 d。

武漢地處長江中下游，長江武漢河段兩岸支流、湖泊眾多，江湖關系復雜，水情受多種因素影響。上游來水主要有長江干流的下泄水量、洞庭湖方向的來水及漢江方向的支流匯入，下游可能會受到倒、舉、巴、浠、灄等武漢周邊中小河流及鄱陽湖的頂托。2020年7月份，受到強降雨影響，洞庭湖和鄱陽湖水位居高不下，長江武漢段受到“上下夾擊”，洪水宣泄不暢，后又受到倒、舉、巴、浠、灄等河流的頂托，導致高水期水位流量關系大幅偏左，同水位下流量偏?。▓D2）。

2.3 報汛現(xiàn)狀

漢口站一直采用臨時曲線法進行相應流量報汛，該方法需要技術人員根據(jù)多年的人工報汛經(jīng)驗，結(jié)合實測流量科學地研判水位流量關系的變化，從而繪制臨時曲線開展相應流量報汛，必要時結(jié)合上下游水文（水位）站同時刻水位落差綜合分析，及時對報汛線進行修正。臨時曲線法依賴人為經(jīng)驗，一般在漲落水面上吻合較好，而在一場洪水的極值附近，由于無法精確繪制出峰頂或峰谷“掉頭”的線型，會導致一定誤差。2020年，漢口站水位達到歷史第四高水位，高水期受到鄱陽湖和倒、舉、巴、浠、灄等河流的頂托作用，水位流量關系大幅偏左，加大了人為經(jīng)驗判斷的難度。因此，采用臨時曲線法開展相應流量報汛，精度雖然能夠滿足要求，但還存在一些“上下跳動”的現(xiàn)象，還需要優(yōu)化高洪期報汛方案。

對于采用單值化法按單一線布點和資料整編的測站，相應流量報汛可采用單值化法。單值化法是根據(jù)已經(jīng)單值化的數(shù)學模型、率定的公式參數(shù)和人工繪制的水位-校正流量關系線，反推水位-流量關系，開展相應流量報汛。漢口站的單值化方案在公式參數(shù)率定時，樣本采用了漢口水文站及輔助站2003～2008年共6 a的連續(xù)水位流量資料，沒有大水年;采用漢口站單值化方案對漢口站1996～2002年資料進行驗算。一般情況下，定一條關系線可以滿足要求，但由于大水年份下半年測點水位明顯偏小，只能按上下半年分別定線，當兩線銜接處流量過程線出現(xiàn)跳躍，以流量過程線光滑為原則進行流量改正。由于漢口站參數(shù)率定的時候未考慮大水年，大水年定線要分兩條，相應流量報汛操作起來較為復雜且有任意性，因此漢口站一直未采用單值化法進行相應流量報汛。

3 單值化報汛方案

漢口站一直沿用的單值化方案將漢口站長江上游的石磯頭水位站、漢江上游的漢川水位站及長江下游的黃石港水位站當作輔助水位站，計算代表年的綜合落差，采用合理的落差指數(shù)，計算校正流量。為現(xiàn)行的臨時曲線法報汛提供參考，開展高洪期單值化法進行相應流量報汛，本文挑選有代表性的年份率定漢口站單值化方案公式參數(shù)。

考慮到2020年高水期受到下游頂托而導致流量偏小，采用2020年1～7月部分數(shù)據(jù)作擬合線，根據(jù)某時刻漢口站水位在該擬合線上查算出校正流量，再根據(jù)漢口站水位及其上游3個輔助水位站的水位，計算綜合落差，反推出漢口站該時刻的還原流量。

3.1 數(shù)據(jù)資料

根據(jù)2020年水情的特殊性，尤其考慮到漢口站水位較高，且受到下游頂托影響較為嚴重，本次研究選用具有代表性的年份：1954，1998，2019，2020年。

1954，1998年的大洪水期間均出現(xiàn)了上游來水大，洞庭湖猛灌，下游鄱陽湖漲水嚴重，對長江武漢河段形成頂托態(tài)勢的情況。2020年為本年資料，最具有代表性，2019年河段特性、斷面情況、來水條件與2020年較為接近。

3.2 基本公式

漢口站水位流量關系主要受洪水漲落、變動回水、斷面沖淤變化等綜合水力因素影響，呈不規(guī)則的繩套關系，需要采用綜合落差指數(shù)法進行處理，使水位流量關系單值化。

漢口站單值化方案以上游長江石磯頭站水位、下游黃石港站水位及漢江漢川站水位為落差水位，與漢口站水位落差建立水位流量函數(shù)關系。

式中：Q為流量;Z0為漢口（武漢關）站水位;Z1為石磯頭站水位 ;Z2為黃石港站水位;Z3為漢川站水位;Km1，Km2，Km3為落差權重變動系數(shù);B0為綜合落差改正值。當漢川的水位與漢口站的差值大于4 m時，Km3、Zm3參與計算。

2020年汛期，漢川站與漢口站的水位差值一直小于4 m。2020年7月8日12：00，漢川站超過警戒水位29.00 m，但超警是長江洪水頂托所致，非漢江上游來水，漢江并未對武漢段水位流量關系的變化起較大的作用，因此本次單值化報汛公式中不考慮漢川站與漢口站的落差影響;同時，考慮到漢口（武漢關）站、石磯頭站、黃石港站采用的高程基面不同，為了讓落差更為真實合理，根據(jù)3個基面的換算關系，對以往的公式進行了一定修改。

3.3 參數(shù)率定

本次率定參數(shù)選用1954，1998，2019年全年實測資料與2020年1月1日至7月19日的實測資料。通過自編程序計算，優(yōu)選落差權重變動系數(shù)Km1、Km2、落差指數(shù)α。對q=（1/K1）×Qm/（K2×Zm）α計算的校正流量點，應用“浮動多項式配方程模型”進行單一線擬合，選取使得擬合的單一線標準差最小的落差權重變動系數(shù)Km1、Km2、落差指數(shù)α，最終確定落差指數(shù)Km1=0.36，Km2=0.10，α=1.055 789 936。

3.4 單一線擬定

2020年全年測驗尚未結(jié)束，不能定出滿足一類精度站定線標準的水位-校正流量單一關系線，為滿足報汛時效性的要求，本文單值化定線采用2020年1月1日至7月19日資料系列共計31個測次，在EXCEL表中采用6次多項式擬合（圖3），R2 = 0.999 1，得到公式如下：

4 單值化法報汛方案精度分析

由于2020年年終整編尚未開展，目前先對2020年至今所有的62個測次分別計算單值化法和臨時曲線的報汛流量，并與實測流量結(jié)果對比（見表2）。結(jié)果表明：總體來說，單值化法報汛精度較臨時曲線法高，誤差范圍、隨機不確定度均比臨時曲線法小，誤差小于5%，2%的個數(shù)均比臨時曲線法多。然而，單值化法系統(tǒng)誤差比臨時曲線法大，是因為臨時線法繪制的曲線“上下跳動”，流量偏大或偏小，正負相抵，顯得系統(tǒng)誤差比較小。因此，單值化法有進一步優(yōu)化的空間。

本次研究的單值化法報汛在高水期，尤其是受到下游頂托時的效果更佳，可以敏感地反映出倒、舉、巴、浠、灄等武漢周邊中小河流及鄱陽湖的頂托作用。例如在2020年7月6，12日等受到下游頂托影響，同水位下流量偏小時，單值化法的報汛流量明顯比臨時線法精度高（見圖4）：7月6日，實測流量50 900 m3/s，單值化法計算流量得50 600 m3/s，臨時線法計算流量得55 700 m3/s。此外，與實測流量相比，單指化法計算得出的流量偏小，臨時線法計算得出的流量偏大。

5 結(jié)論與展望

漢口水文站高洪期單值化法報汛方案精度高于臨時線法，臨時線法在沒有實測流量的情況下，只能通過人為經(jīng)驗判斷，會存在一定偏差。本次研究的單值化法報汛誤差絕對值在5.44%以內(nèi)，單值化法能夠?qū)⑸舷掠温洳畹淖兓皶r反映在水位流量關系上。因此，可以在臨時線法報汛的基礎上，采用單值化法流量進行驗算，如存在計算值偏大或偏小的情況，可取平均值，能較好地保證報汛精度，可為防汛決策提供準確的數(shù)據(jù)支撐。

本次研究仍存在樣本年份不足的問題，后續(xù)還將進一步補充分析資料樣本，包含1955年以來豐水年份（如1999，1996，2002，2016年等）資料，定出豐水年滿足一類精度站定線標準的水位-校正流量單一關系線進行報汛，進一步優(yōu)化高洪期單值化報汛方案。此外，還可加入漢江較大秋汛年份、枯水年份等資料確定公式、率定參數(shù)，用更高的標準定線，來研究適應性更強的單值化法報汛方案。

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（編輯：江 文）

Abstract： Hankou hydrological station is an important flood control station in middle Yangtze River. In order to provide more accurate data support for flood forecasting and decision making ， it is necessary to optimize the determination method of stage-discharge relation of Hankou hydrological station to improve accuracy of flood reporting. We analyzed flood reporting scheme of Hankou hydrological station during high flood period by comparing single value method and temporary curve method，and then verified the results with measured data. The results showed that when the temporary curve method was adopted， a phenomenon of "jumping up and down" existed in the reported discharge， especially when backwater effect exists in downstream. Therefore，single value method， with higher accuracy， is a more effective flood reporting method， especially when backwater effect exists in downstream for Hankou hydrological station.

Key words： flood reporting scheme; stage-discharge relation curve; single value method; temporary curve method; high flood period;Hankou hydrological station