山西省北崖底水位站控制流域洪水预报系统的应用

乔新伟

摘  要：山西省北崖底水位站控制流域地处北方半干旱、半湿润地区，暴雨分布不均，其降雨径流的形成过程较为复杂，既有蓄满产流，又有超渗产流。文章根据北崖底水位站建站以来暴雨、洪水资料，采用划分子流域结合双超产流模型的方法，制作建立了北崖底水位站洪水预报系统，旨在为地区防汛、渔业灾害防控提供参考。

关键词：半干旱;半湿润;子流域;双超模型;综合瞬时单位线

中图分类号：S914文献标志码：C

1 流域概况

山西省北崖底水位站控制流域位于安泽县和川镇北崖底村沁河上，属黄河流域沁河水系，地理坐标为东经112°16′31″，北纬36°18′43″。该站集水面积2229km2，断面以上主河道长度112km，主河道平均坡度2.9‰。流域内较大的支流有程壁河、赤石桥河、紫红河、枣林庄河、狼尾河、法中河、柏子河等。流域上游源头至北崖底段主要为石质山区，海拔高程在1100m～2000m之间。该区域地处太岳山脉东麓，南北两端灰岩出露，中部大都是石炭、二叠、三叠纪砂页岩，自然植被良好，人类活动影响较小，林牧业较发达，水土流失轻微。

北崖底水位站上游有水文站1处，为孔家坡水文站;水位站1处为百家滩水位站，2处站点均有实时流量数据，可以通过上游站的入流进行北崖底水位站的洪水预报。沁河孔家坡（百家滩）～北崖底区间有11处雨量站，平均每站控制面积55.2km2，站网密度较高。为了充分考虑暴雨分布的不均匀性及不同地区水文特征的差异，本次采用划分子流域结合双超产流模型的方法进行系统建立。

2 子流域划分

综合沁河孔家坡（百家滩）～北崖底区间雨量站的地理位置、小流域水文特性、水系完整、暴雨特性差异不大的等因素，基于流域1：5万地形图及dem数据，共划分10个子流域。为更好地分析流域洪水来源，为地方防洪减灾提供服务，在子流域划分的基础上，进一步划分出12个汇水点，用以显示各汇水点的洪水信息。北崖底水位站控制流域子流域划分结果见表1，子流域及节点位置见图1。

3 预报模型与参数选用

3.1 产流模型

该预报系统的产流计算采用双超模型，该模型将洪水径流分成超渗径流和超持径流两部分。双超下渗理论认为，当降雨强度大于土壤下渗能力而形成的径流只是径流的一部分而不是全部;包气带中水分超过田间持水量会出现自由水，自由水沿具有一定坡度的相对不透水层侧向移动，常在沟壁、河边坡脚的堤防溢出形成壤中流。降雨强度大于土壤下渗能力而形成的径流称为超渗径流，包气带中水分超过田间持水量侧向排出的径流称为超持径流。双超模型径流形成示意图见图3。产流计算过程如下：

3.1.1 根据北崖底流域雨量站点分布，采用泰森多边形法进行子流域面雨量的推求。

3.1.2 参考流域植被种类分布，确定子流域森林覆盖率ω与植物截留容量Zlm。根据临近水文站E601蒸发皿观测资料，计算大气蒸发潜能ΔEm，进而计算出植物截留量。

3.1.3 根据《山西省水文计算手册》确定各子流域的产流地类分布，进而计算双超模型的参数吸收率Sr与导水率Ks ，各子流域的产流地类情况见表2。根据子流域下垫面情况，选用子流域渗能指标统计分布参数b1、不透水面积比重α0的初值，计算透水面积相应降雨时段的土壤入渗量ΔF0。进而可得出不透水面积上和透水面积上的超渗径流，二者加权平均可得出相应的超渗径流。

3.1.4 土壤中水分以张力水和重力水存在于孔隙之中，土层存储重力水的最大潜能称为滞蓄容量Sm，储存张力水的最大潜能称为持蓄容量Wm。两个参数因土壤基质、结构特征而不同，Wm与Sm之和在120左右。土层中的重力水，在重力作用下，同时沿侧向、垂向移动。选用适当的侧向排泄系数δ，按照土壤双层蒸发模型，计算相应的蒸发，进而可得的超持径流。

3.2 汇流模型

汇流计算采用综合瞬时单位线进行。瞬时单位线把流域汇流过程假设为由n个等效线性水库对水流的调蓄过程。瞬时单位线数学表达式为：

un（0，t）1kΓ（n）tkn-1e-tk

式中：n为线性水库的数目;k为单个线性水库的调蓄系数;t为时间;Γ（n）为伽马函数。

采用综合瞬时单位线计算过程如下：

3.2.1 根据《山西省水文计算手册》确定各子流域的汇流地类分布，对地类参数进行综合计算，进而得到汇流参数吸收率C1与导水率C2 ，各子流域的地类情况见表3。在进行野外实地调查时，应注意观察河道的组成、清洁程度及植被情况，合理选用C2值。

3.2.2 根据《山西省水文计算手册》可以查阅得出经验性指数α、β1、β2分别为0.397、0.047、0.190。

3.2.3 结合子流域划分的河长、比降成果，计算瞬时单位线的参数n，k，进而得到各子流域的汇流过程。

4 參数率定与精度评定

北崖底水位站于2012年7月设立，本次选用建站以来5场洪水过程对预报模型参数初值进行了修正，经过对各组参数反复调试，选取一组较为适合各场次洪水预报的参数，做北崖底预报控制流域参数的选用值。利用建站以来的5场洪水对预报系统进行检验，检验合格率为80%，确定性系数为0.74。根据《水文情报预报规范》（GB/T 22482-2008），为乙等方案，可用于洪水作业预报。模型模拟的洪水过程见图4-图8，模型模拟洪水过程精度评定见表4，表5。

5 结语

5.1 北崖底水位站控制流域地处北方半干旱、半湿润地区，暴雨分布不均，其降雨径流的形成过程较为复杂，既有蓄满产流，又有超渗产流。采用划分子流域结合双超产流模型的方法，拟合的洪水过程合格率较高，取得了较好的效果。

5.2 北崖底水位站建站时间较晚，可用于率定参数的暴雨洪水资料较少，本次使用了建站以来所有的洪水资料进行了参数率定、精度评定。在今后的实践中会对方案不断的进行修正、完善。

参考文献：

[1]郭祥波. 山西小流域产汇流理论与应运的研究[D].《河北工程大學硕士论文》，2016.

[2]杨树峰. 沁河源头保护区现状分析及对策[J].《山西科技》，2012，27（6）：28-30.

[3]李力，延耀兴，沈冰.双超模型在半湿润地区的应用[J]，《中北大学学报（自然科学版）》，2008，29（1）：62-66.

Application of flood forecasting system for watershed control at Beiyadi Watershed Station in Shanxi Province

QIAO Xinwei

（Linfen City Hydrology and Water Resources Survey Station， Linfen 041000， Shanxi China）

Abstract：The Beiyadi Watershed Station in Shanxi Province is located in the semi-arid and semi-humid area in the north of China. The distribution of rainstorm is not uniform. The formation process of rainfall-runoff is complicated， including full storage and runoff generation， and superpermeability and runoff generation.According to the rainstorm and flood data of Beiyaji water station， the flood forecasting system of Beiyaji Water Station is established by using the method of dividing the molecular basin and combining with the model of double excess flow， in order to provide reference for regional flood control.

Keywords：Semi-arid;Half wet;Sub basin;Double supermodel;Synthesized instantaneous unit line