合成流量法在窟野河神木水文站洪水預報中的應用

2019-05-27 09:57:56由宇軍富康平宋淑紅

陜西水利 2019年4期

由宇軍，富康平，宋淑紅

（陜西省水文水資源勘測局，陜西西安 710068）

窟野河流域是黃河中游暴雨中心區之一，窟野河流域洪水主要由暴雨形成，窟野河流域內的洪水峰高量小、洪峰尖瘦、暴漲暴落，歷史上暴雨洪水給當地群眾生命財產安全帶來嚴重損失。神木水文站，位于窟野河中游陜西省神木市南郊五里墩，設于1951年10月，1955年8月16日斷面上遷450 m，1956年1月1日斷面下遷2400 m，站名為神木（二）觀測至今，屬國家重要水文站。研究該站洪水預報方法為神木市防汛決策提供可靠依據，對該市防汛減災十分必要。故文中采用合成流量法對神木站洪峰流量進行預報。

1 流域概況

窟野河為黃河右岸一級支流，全河長242.0 km，流域面積8706 km2，河道比降2.6‰，其中陜西省境內河長157.9 km，流域面積4071 km2，為我省境內較大流域之一。上游稱烏蘭木倫河，發源于內蒙古伊金霍洛旗蘇布爾嘎鎮阿爾胡德梁村楊家壕四組東南。干流略呈“丫”字型，河流總體流向為自西北向東南，在活雞兔溝入河口進入陜西省境內，再向南，在房塔以西稱為烏蘭木倫河。最大支流悖牛川發源于內蒙古準格爾旗準格爾召鎮烏蘭哈達村神山活子，河流自河源向東南至暖水川入河口，向西南至沙家塔進入陜西省神木市。

2 水文站網

（1）預報站

神木水文站位于陜西省神木縣南郊五里墩，地處東經110°30′，北緯38°48′，屬國家重要水文站，本站系窟野河中游干流控制站，集水面積7298 km2，河長168 km，距河口距離74.2 km，河道平均比降為3.44‰。實測最大流量13800 m3/s，實測最大含沙量1570 kg/m3，多年平均徑流量4.888億m3，多年平均輸沙量0.612億t，多年平均降水量427.8 mm。

（2）預報根據站

神木水文站上游烏蘭木倫河設有王道恒塔水文站，為國家基本水文站，1958年10月建站，位于神木縣店塔鎮牛皮塔村，東經110°24′，北緯39°04′，斷面以上集水面積3839 km2，距神木站33.6 km。

上游主要支流悖牛川設有新廟水文站，位于內蒙古自治區伊金霍洛旗新廟鎮古城壕村，東經110°22′，北緯39°21′，斷面以上集水面積1527 km2，距神木站69.8 km。

（3）區間雨量站

區間集水面積1932 km2，共設有8個雨量站，分別為：喬家梁、秦家溝、張家村、蘆草溝、老高川、店塔、麻家塔、大昌汗。其中有長系列觀測資料的站4個，分別為喬家梁、秦家溝、張家村、蘆草溝。

王道恒塔和新廟至至神木站區間站網見表1。

此次編制神木水文站合成流量預報方案，采用神木站1969年～2017年共49年洪峰流量大于1000 m3/s的洪水資料系列，共選取洪水場次34場（篩除了11場上游未漲水或上下游不具有相關關系的洪水）。其中1969年～2000年為方案編制資料系列，2001年～2017年作為方案檢驗資料系列。

方案所選的資料均來自水文年鑒，可靠性較好，能充分反映出干支流洪水的演進變化規律，同時包括大、中、小各代表年份的洪水,具有很好的代表性，符合《水文情報預報規范》的要求，水文站上下游沒有較大的水利工程影響，資料一致性也較好。

3 預報方案的建立

3.1 預報原理

窟野河神木站上游為沙丘和流沙覆蓋區，地處毛烏素沙漠的東南邊緣，屬于半干旱地區，為超滲產流地區，上游干支流由王道恒塔水文站和新廟水文站控制，區間流域面積為1932 km2，可采用合成流量法進行預報。

表1 王道恒塔和新廟至至神木站區間站網一覽表

圖2 王道恒塔至神木站洪峰流量傳播時間相關曲線圖

根據上游及區間來水情況采用烏蘭木倫河王道恒塔站洪峰流量與悖牛川新廟站的相應流量合成作為合成流量或以悖牛川新廟站洪峰流量與烏蘭木倫河王道恒塔站的相應流量合成作為合成流量，以區間降雨量為參數，與神木站相應流量建立相關關系，形成合成流量預報方案，預報神木站洪峰流量，見圖1。

基本數學表達式為：

式中：Q神t+τ為神木站（t+τ）時刻的流量，m3/s；Q合、t為上游各站相應流量之和的合成流量，m3/s；P區間、t+τ為區間時段降水量，mm；τ為洪峰傳播神木站的歷時，h。

圖1 合成流量法原理圖

3.2 預報要素分析計算

3.2.1 洪水傳播歷時的確定

1）王道恒塔站至神木站洪水傳播歷時

王道恒塔站至神木站區間河長為33.6 km，選取典型洪水上下游站相應洪峰流量資料，計算每場洪水的洪峰流量從王道恒塔站傳播到神木站的時間作為傳播時間τ，并點繪王道恒塔～神木站傳播時間τ相關曲線。根據相關曲線洪峰流量在3000 m3/s以上時，傳播時間為1.5 h～2 h；2000 m3/s～3000 m3/s時，傳播時間為 2 h～2.5 h；1000 m3/s～2000 m3/s時，傳播時間為2.5 h～3.5 h。王道恒塔站至神木站洪水傳播時間相關曲線見圖2。

2）王道恒塔站至悖牛川匯入口洪水傳播歷時

王道恒塔站距悖牛川匯入口5.0 km，洪水傳播歷時用王道恒塔站至神木站站洪水傳播歷時按距離內插求出。依據相關曲線，洪峰流量在3000 m3/s以上時，傳播時間為0.23 h～0.3 h；2000 m3/s～3000 m3/s時，傳播時間為 0.3 h～0.38 h；1000 m3/s～2000 m3/s時，傳播時間為0.38 h～0.53 h。王道恒塔站至悖牛川匯入口洪水傳播時間相關曲線見圖3。

圖3 王道恒塔站至悖牛川匯入口洪峰流量傳播時間相關曲線圖

3)新廟站至悖牛川匯入口相應洪水傳播歷時

新廟站至悖牛川匯入口40.1 km，選取新廟站歷年各級水位的實測流量資料，點繪斷面平均流速與相應流量的關系圖，由不同量級的流量查出斷面平均流速，再計算出各級流量下的洪水傳播歷時。

相應洪水傳播歷時用公式為：

式中：τ為洪水傳播歷時，h；L為新廟站至河口的距離，km；v為新廟站實測斷面平均流速，m/s；λ為斷面形狀系數，取1。

根據相關曲線流量在3000 m3/s以上時，傳播時間為1.8 h～2 h；1000 m3/s～3000 m3/s時，傳播時間為 2 h～2.5 h。

新廟站至悖牛川匯入口相應洪水傳播時間相關曲線見圖4。

圖4 新廟站至悖牛川匯入口相應流量傳播時間相關曲線圖

4)新廟站至神木站相應洪水傳播歷時

新廟站至神木站69.8 km，選取新廟站歷年各級水位的實測流量資料，點繪斷面平均流速與相應流量的關系圖，由不同量級的流量查出斷面平均流速，再計算出各級流量下的洪水傳播歷時。

根據相關曲線流量在3000 m3/s以上時，傳播時間為3.2 h～3.6 h；1000 m3/s～3000 m3/s時，傳播時間為 3.6 h～4.5 h。新廟站至神木站相應洪水傳播時間相關曲線見圖5。

圖5 新廟站至神木站相應流量傳播時間相關曲線圖

3.2.2 合成流量的計算

本方案合成流量是指王道恒塔站洪峰流量與新廟站相應流量之和或新廟站洪峰流量與王道恒塔站相應流量之和。即：

根據上游來水情況，具體推求方法如下：

1）以烏蘭木倫河王道恒塔站為主的洪水

①根據王道恒塔站洪峰流量Q王峰出現時間及傳播至悖牛川匯入口的歷時，推求王道恒塔站洪峰流量Q王峰到達悖牛川匯入口的時間，②用王道恒塔站洪峰流量Q王峰傳播至悖牛川匯入口的時間減去新廟站洪水傳播歷時，即為新廟站相應流量時間，以此在新廟流量過程線上推算出新廟站相應流量Q新相應。③用王道恒塔站洪峰流量Q王峰和新廟站相應流量Q新相應相加推求Q合。

2）以悖牛川新廟站為主的洪水

根據新廟站洪峰流量Q新峰出現時間及傳播至悖牛川匯入口的歷時，推求新廟站洪峰流量Q新峰到達悖牛川匯入口的時間。②用新廟站洪峰流量Q新峰傳播至悖牛川匯入口的時間減去王道恒塔站洪水傳播歷時，即為王道恒塔站相應流量時間，以此在王道恒塔流量過程線上推算出Q王相應。③用新廟站洪峰流量Q新峰和Q王相應相加推求Q合。

3）區間降雨推求

根據神木站峰現時間，依據區間雨量站相應時段降水量采用泰森多邊形法計算洪峰出現之前區間面雨量，各代表站權重見表2。