單位線法在陸渾水庫的應用誤差分析

□張宏圖 □郝敬偉 □李 敏（河南省陸渾水庫灌溉工程管理局）

0 前言

陸渾水庫位于河南省嵩縣伊河中游，控制流域面積3492km2，總庫容13.20億m3，是一座以防洪為主，結合灌溉、發電、供水、養殖等綜合利用的大（1）型水庫，它承擔著洛陽防洪、黃河下游防洪和水庫本身保壩三大防洪任務。自1977年以來，由陸渾水庫洪水預報會戰小組所做的“單元匯流單位線預報”模型一直是水庫及時獲得水情信息，進行有效防洪的基礎。2000年6月，該預報模型又被武漢大學移植到為陸渾水庫洪水調度系統新研發的洪水預報調度軟件的相關模塊中，但預報結果仍不理想，誤差較大，文章從單位線預報原理及實際作業方面對產生誤差的原因進行了詳細分析。

1 單元匯流單位線預報方案

“單元匯流單位線”預報方法是遼寧大伙房水庫管理局在華東水院建議的“流域匯流計算方法”基礎上提出的。所謂單元匯流單位線是指單元面積出流的單位線經過河槽匯流的多河段連續演算至流域出口斷面的單位凈雨的流量過程線，是在各單元互不干擾即線性疊加的假定下，各個單元的凈雨按時程分配，通過單元匯流單位線的轉換，按時序相加，即為出口斷面的流量過程線。單元匯流單位線預報的具體方法是：將流域劃分為若干塊單元面積，降雨以后，在各單元的出口斷面處，都將產生相應的徑流過程，把每個單元的出流過程分別從單元出口斷面處開始，進行河道匯流計算，演進至流域出口斷面處，求得各單元在流域出口斷面處的流量過程線，然后將各單元降雨在流域出口斷面處所產生的流量過程線進行線性疊加，得到流域的出流過程線。此方法有兩個特點：一是由于流域劃分成單元塊，可以自然消除全流域降雨產流不均勻所造成的誤差；二是提供了探討大洪水單位線外延的途徑。如在單元面積出流上可以采用單位線的分級；在河槽匯流上可以改變傳播河段數。

2 單位線預報在陸渾水庫的應用

圖1 陸渾水庫單元面積劃分及水文雨量測站布置示意圖

1976年2月，在學習“單元匯流單位線”方法的基礎上，由水電部水利調度研究所、水電部第十一工程局、河南省水文總站、黃委會水文處、陸渾水庫管理處等單位的有關同志通過流域的實地察看和資料分析，編制了水庫當年的度汛預報方案。1976年11月至1977年1月在北京水調所組成了洪水預報會戰小組，在第一階段工作的基礎上，補充論證和修訂了上述方案中有關單元單位線的部分，編制了《應用單元匯流單位線編制陸渾水庫入庫洪水預報方案》，該方案被使用至今。在實際運用中，該方案的實施有計算機預報和人工預報兩種方式，但預報結果均不太理想。按照國家防總頒布的《水庫洪水調度考評規則》進行評定，洪量和峰現時間預報精度達到“好”的比率為80%，但洪峰和洪水過程的預報誤差較大，精度為“一般”和“好”的僅占70%。經綜合分析，誤差的產生具有以下特征：大、小型洪水的預報誤差較大，中型洪水的預報誤差較小；全流域降雨預報精度較高，降雨中心在流域中上游的預報比降雨中心在下游的預報精度高。

3 預報誤差分析

“單元匯流單位線”的預報精度受諸多因素影響。單元面積的劃分，降雨的時空分布，雨量數據的采集，單元的地形、地質、植被，產匯流方案及相關系數的選用等，都是十分重要的因素，其中，影響最大的主要是以下幾個方面。

3.1 單元面積劃分和單元雨量代表站分布不合理

單元面積的劃分和單元代表站的分布情況是影響預報精度的最主要因素。單元面積的劃分和雨量站分布應遵循以下原則，每個單元相當于一個小流域，最好只有一個出流斷面；各單元面積的大小應盡量相等，更要使單元面積內總匯流時間大致相同；盡量使單元雨量代表站位于單元面積的中心附近。陸渾水庫以上流域單元劃分及雨量代表站分布情況詳見陸渾水庫單元面積劃分及水文雨量測站布置圖。在所劃分的十個單元面積中，第1、10單元的面積較大，分別為426 km2和494 km2，第6、7單元的面積較小分別為248 km2和281 km2，大小相差近一半;全流域共設雨量站15個(遙測雨量站2001年剛投入試運行)，第5、7、8單元則無代表站。這樣的單元面積劃分，就使得當降雨中心在1、10單元時計算的產流量偏小而在6、7單元時偏大，也使得單元匯流時間不盡相同；由于整個流域降雨的空間分布很不均勻，區域性較強，雨量代表站的分布也不能很好地反映各單元的實際降雨情況。這都直接影響到單元面積凈雨數據的準確采集以及單元面積的產流計算，對預報精度的影響最大。

3.2 局部地區產流方案的全流域應用

由于各單元的地形、地質、植被、人類工程和水文特性等情況均不相同，僅地形地質的差別就比較大：大壩至嵩縣城為土質丘陵區，大部分被開發為耕地，坡度平緩，自然植被稀少；嵩縣城至舊縣為淺山丘陵區，河道坡降增大；舊縣以上為石山區，河床狹窄，流域及河道坡度大，植被較好，有部分森林資源。因此，作為一個小流域，各單元都有自己的特征。所以，嚴格說來，各單元應建立本單元的產流方案，但在本預報的實施中，各單元面積的產流計算采用了同一方案：運用欒川雨量站的P+Pa～R 關系圖。即將影響徑流深R的因素，如降雨量P、前期影響Pa等，按照相關分析方法建立起它們與R的關系，這樣在具有了P、Pa等因素時，便直接計算出流域的產流量，方案中的相關參數為:最大初損IM＝90mm，日折減系數為:晴天Kq＝0.90，雨天Kq＝0.97。明顯地，各單元前期影響Pa 的計算不能準確地反映本單元的實際情況，再通過同一的P+Pa～R 關系計算的產流量必將存在較大的誤差，所以各單元采用一樣的方案進行產流計算也是造成預報誤差的一個重要因素，其對小洪水預報精度的影響最大。

3.3 河道匯流計算中不當參數的引用

單元的河道匯流計算，應用了多河段連續演算的方法。雖然流域地形復雜，河谷形態多變，各傳播河段糙率各不相同，但所有單元均采用東灣站相應最大流量的斷面平均流速通過洪峰Qm～相關關系到洪量Wm～相關關系再到∑R～相關關系的轉換，以得到傳播河段數：

式中：L為以米為單位的河段長；△t為以秒為單位的時段。同時各河段又采用了相同的槽蓄系數x＝0.45，這些都直接影響到峰現時間和洪水過程的預報精度。

4 建議

4.1 合理調整單元雨量代表站結構

在影響預報精度的諸多因素中，雨量站代表性問題起著主導作用，所以，我們首先應解決單元代表站的分布、選擇問題。目前，黃委會、河南省水文局在陸渾水庫控制流域內建設的雨量站、水文站已達117處，且其分布較為均勻，可為我們及時掌握上游雨水情提供有力保障。根據目前水文站點的分布情況，及時調整各單元代表站的結構、組成，以使計算出的單元雨量數據更接近實際，是提高單位線預報精度的基礎環節。

4.2 調查分析流域基本資料，確定單元產匯流方案

對流域基本情況特別是影響蓄泄關系和匯流速度的基本地形、地質、植被、河槽庫壩、水文特性等進行全面的實地查勘和資料分析，對流域的變動蓄泄關系和變動匯流進行深入分析，以取得最適合的相關參數，并確定各單元特有的產匯流方案，這是有效提高預報精度的關鍵基礎。雖然這項工作繁瑣量大，但借助現有計算機、通訊、測量等方面的前沿技術以及現有年鑒、縣志等資料，還是可以順利實現的。