概念性推理模型在过风楼水文站洪水预报的应用

◎陆　琪

概念性推理模型在过风楼水文站洪水预报的应用

◎陆琪

1　基本情况

1.1预报方案建立的目的意义

过风楼水文站处于商洛市商南县过风楼镇徐家店村，位于东经109°52′46″，北纬33°25′43″，是2009年在丹江下游上设立的专用水文站，控制面积6398.5km2。2010年莲花台电站在距过风楼水文站下游34km处施工，汛期施工急需上游洪水信息的报送，因此该站预报方案的建立为丹江下游防汛保安起着重要的水文信息支撑。

1.2流域自然地理及水文气象概况

丹江发源于秦岭主脊 （陕西省商州市西北部）1964.7m的凤凰山南麓，经商洛市商州区、丹凤县、商南县，于荆紫关附近（商南县汪家店乡月亮湾）出陕境进入河南省淅川县，向南在湖北省丹江口市注入丹江口水库。商洛境内流域面积7478.3km2，上游商州有二龙山、南秦水库和王山沟，库容分别为8100万m3、1035万m3和122.5万m3，控制流域面积1453.5km2；丹凤境内有鱼岭和龙潭水库，库容分别为1037.5万m3和272万m3，控制流域面积277.5km2；商南境内有县河和试马水库，库容分别为667万m3和264万m3，控制流域面积127.5km2。占过风楼以上面积2.0%。流域呈羽毛状，见附图1。

河谷形态：商州以上，河长42km为河源峡谷段；商州城至丹凤月日滩，河长68km为商—丹盆地段；丹凤月日滩至竹林关之间，河长48km为流岭峡谷段；竹林关至商南月亮湾，河长53km为川塬峡谷段。

该流域雨量充沛，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月为少雨季，河流多为枯水期，流量小，河水清，6月～8月为暴雨季，河水涨落迅猛。9月～10月是连阴雨季节，河水多为涨陡落缓，洪水持续时间较长，峰形较胖。

1.3站网分布

过风楼水文站上游有3处流域报讯水文，它们分别是干流控制站丹凤水文站，控制面积2766km2，丹江支流武关水文站，控制面积724km2。丹江支流银花水文站，控制面积951km2。其中丹凤水文站流域上设有麻街水文站，控制面积326km2，支流板桥河上设立有板桥水文站，控制面积493km2。三处水文站控制流域面积占过风楼站控制面积的69%，区间面积占31%，区间报讯雨量站有6处。

2　预报方案建立

图1过风楼水文站测站位置示意图

2.1预报方案建立的思路

由于过风楼站为新设站，洪水资料不足，上下游相关法、降雨径流法等预报方法暂不具备条件，故对过风楼预报方案采用概念性推理模型。由于麻街水文站、板桥水文站在丹凤水文站的控制断面内，预报方案不予考虑。二龙山水库、南秦水库、王山沟水库也在丹凤丹凤水文站控制断面以上，所以也不予考虑。区间县河水库和式马水库由于控制面积较小可以忽略。丹凤、武关、竹林关三站，对过风楼站控制作用较大，以这三站为控制上游水量，再考虑区间来水，进行洪水的演进推理，制作模型，进行预报。

2.2方法

当丹凤、武关、竹林关各站的洪水波向下游传进时，把洪水波概化为互不干扰，而且中途传进流量大小不变，预报时用丹凤，武关、竹林关水文站实测河道流量资料。依据水文站某时出现的流量求得断面平均流速，根据量出的河道距离L，用公式计算汇流时间，推算各站洪水传播演进到过风楼的流量过程。当多站涨水时，叠加各水文站流量推演过程，再加上区间来水，得出过风楼站出现的流量过程。用此方法制作预报。

2.2.1河长的量算

量取丹凤、武关、竹林关水文站基本断面至过风楼水文站河长L，详见表1。

表1　根据预报站到预报站河长量算表

2.2.2分析上游水文站流速分布

抄录丹凤、武关、竹林关断面流速与流量对应的历史水文年鉴数据，绘制Q～A关系线。以近年数据向前推，点子以中、高、低水点子分布均匀为原则，进而分别建立本站流量与断面平均流速的关系曲线Q～v。

2.2.3汇流时间确定

根据河道洪水波运动原理，用t=L/r、r=1.33*v（v是相应流量对应的平均流速），用各站出现的流量，查读各自相应流量对应的平均流速，用以上公式求出丹凤、武关、竹林关水文站汇流至过凤楼和莲花台电站的汇流时间，用汇流时间加上发生时刻成为该流量在过风楼出现时间，用这个时间和流量组成新的流量过程。

2.2.4流量过程叠加

把丹凤、武关及竹林关得到的三个流量过程，根据时间的先后顺序，引用在另一个Excel工作表上，对于相应时间上无流量的站，按照时间进行内插补出流量。把三站流量过程相加，得到过凤楼水文站处流量过程。

2.2.5区间流量的计算

图2　商洛市径流深与径流模数关系曲线图

考虑各水文站基本断面到过风楼水文站区间降雨情况，根据计算的前期影响雨量结合时段降雨量计算净雨量，由已知净雨量R和径流模数M的关系，求得径流模数，由径流模数和区间面积求得区间径流量Q区，即Q区=MA区。具体各要素按下面的方法进行。

（1）区间流域前期土壤含水雨量Pa的计算

公式：Pa=KP1+K2P2+K3P3+…+KtP15

式中：P1、P2、P3……P15——第1天、第2天、第3天…15天的区间流域日平均雨量（毫米）；

K——蒸散发系数，此值用经验系数0.85计算。

前期影响雨量取该次洪水造峰前的30日。以最大初损值80mm为控制上限。

（2）区间平均降雨量的计算

根据区间雨量站的分布，用泰森多变形法计算区间平均雨量。

P——流域平均降雨量（mm）；

n——区间雨量站个数；

（3）径流深R的计算

根据本区间气候特点及下垫面情况基本满足蓄满产流的条件，用下列方水量平衡方程计算区间径流深。

式中：P——区间流域平均降雨量（mm）；

Pa——区间流域前期土壤含水雨量（mm）；

Im——流域最大初损量（mm），这里用商洛水文手册以80mm计。

（4）区间径流模数推求

先计算区间雨强，再由商洛市径流深与径流模数关系的分析成果，见图2，由计算的径流深R和雨强i，若果雨强小于5mm，用线①，否则用线②.查算区间产流模数M。

由公式Q区=MA区计算区间径流量。式中：M——径流模数（m3/s.km2）；

A区——区间流域面积，应减去区间库区控制面积（km2）。

3　作业预报步骤

（1）计算区间土壤前期含水量Pa，由区间降雨情况，用泰森多边形法计算区间平均降雨量P和降雨强度i，进而计算区间产流深R，由时段降雨度i在R～M的关系图中查算产流模数M。根据公式Q区=MA区计算Q区。

（2）根据上游丹凤、武关、竹林关站出现流量及时间，填写过风楼站预报方案计算表内实时流量计算表；根据计算出的汇流时间，在流量叠加表内根据汇流时间先后顺序叠加各站流量。

（3）由叠加各站的流量过程加上相应时间区间流量Q区，得出测站预报断面流量Q预报。

4　方案使用效果评价

本预报方案在2010年建立后使用至今，已有5年，本方案使用简单，预报结果较为可靠。在通过5年的作业预报的实践中，据统计洪峰流量预报合格率在80%以上，峰现时间合格率85%以上，洪峰流量合格率在78.5%，确定性系数0.787，达到了良好预报效果。

5　结语

过风楼水文站是丹江干流下游重要控制站，该站的水文信息对测站下游防汛保全起着重大的支撑作用，用概念性推理方法对过风楼水文站预报方案的建立是一次对一个无资料水文站预报方案建立的探索，本方案的预报思路和方法的实践应用，为做其它类似条件的测站预报方案提供参考作用。陕西水利

◆作者系陕西省商洛水文水资源勘测局工程师

（责任编辑：王剑）