賀江南豐水文站洪水預報方案分析

韓長峰，陳仲橋，董 向

(廣東省水文局肇慶水文分局，廣東 肇慶 526060)

對于河道匯流和區間產流作為輸入，下游目標斷面作為輸出的洪水預報方案，國內外一直采用馬斯京根法加區間模型(新安江模型、單位線法等)并進行不斷的修正。馬斯京根法是進行河道演算的水文學方法，方法雖然簡單但有一定的實用價值，所以至今仍被應用，20世紀50年代以來我國對馬斯京根法的物理概念及其使用條件進行了研究論證，對經驗單位線的基本假定與客觀實際情況不符所帶來的問題，采取了有效的處理方法，提出了適合各種不同運用條件下的簡易預報方法；新安江模型存在“異參同效”現象，在使用過程中需要不斷優化。

為解決南豐水文站洪水預報方案精度問題，文中采用多種方法相互對比驗證，取得的結果基本一致，并制作了較優洪水預報方案，可應用于預報作業。

1 概述

1.1 河流水系

賀江為西江左岸一級支流，集雨面積為11 536 km2，河長為352 km，平均河床比降為0.471‰，發源于廣西富川縣黃沙嶺，經廣西賀州市流入廣東境內封開縣，于封開江口鎮匯入西江。流域大部分面積在廣西，境內(廣東)面積為2 334 km2，占全流域面積的20.2%，河長為128 km，100 km2以上支流共8條[1]。

流域水系及工程分布示意見圖1所示。

圖1 賀江流域水系及工程分布示意

1.2 調度現狀

合面獅水利樞紐集水面積為6 260 km2，位于廣西賀州市境內，下游46 km為廣東省封開縣南豐水文站，根據《賀江洪水調度方案》，合面獅出庫達到2 500 m3/s或南豐水位達到35.5 m時，由賀州市防總和肇慶市防總視情況啟動聯合會商，下達調度指令；合面獅入庫達到3 600 m3/s或南豐水位達到36.0 m時，珠江防總、廣西自治區防總和廣東省防總視情況啟動聯合會商，下達調度指令，水文部門根據調度意見和實時雨水情況開展南豐水文站的洪水預報工作。賀江中下游主要水文站(合面獅以下)參數見表1。

表1 賀江中下游主要水文站參數[2](合面獅以下)

1.3 預報方案現狀

賀江為跨省河流，廣西境內流域面積站流域總面積的79.2%，賀江洪水經合面獅水庫調蓄后的最大泄量基本決定了南豐鎮河道洪水量級；區間集水面積50 km2以上的支流7條，區間降雨對南豐鎮河段洪峰量級的影響明顯。

歷史上沿用的洪水預報方案，一是南豐峰前3 d西山站雨量做參數的信都與南豐水位相關法[3]；二是合面獅泄洪流量與南豐水位估報相關法。現有兩種方法都存在預見期短、精度一般的缺陷。

因洪峰傳播時間短，留給預報作業和人口轉移的時間有限，上下游電站調度流量組合情況復雜，現有方案難以取得較好精度，基于南豐水文站洪水預報現狀，尋找一種高精度、易操作的洪水預報方案非常必要。

2 主要研究內容

2014年以來，在國家防總的指導下，珠委防總會廣東、廣西防總啟動聯合調度機制，水文部門根據調度指令中的未來合面獅泄洪流量和實時雨水情開展南豐水文站洪水預報作業，主要對南豐水文站洪峰出現時間、洪峰流量、洪峰水位進行分析研判，從而支撐防洪決策。文中以下部分分別從傳播時間、洪峰流量、洪峰水位3個方面進行研究分析。

2.1 傳播時間

1)馬斯京根法[4]

隨機抽取區間入流影響較小、洪水過程數據較完整的實測洪水3場，根據馬斯京根匯流原理，推算洪水傳播時間。

槽蓄方程：

W=KQ′=K[xI+(1-x)Q]

(1)

水量平衡方程：

(I1+I2)/2-(Q1+Q2)/2=(W2-W1)/Δt

(2)

式中K為蓄泄關系曲線坡度即傳播時間。

經試算，其中20200608號洪水x=0.4時Q′與W線性關系較優，K=ΔW/ΔQ′=(15 808-0)/(3 297-1 179)=7.5，即合面獅至南豐水文站洪峰傳播時間為7.5 h；20110508號洪水計算洪水傳播時間為7.3 h；20190614號洪水計算洪水傳播時間為5.5 h(見表2～3所示)。

表2 合面獅至南豐河段馬斯京根參數推算

表3 抽樣洪水試算馬斯京根法參數k、x成果

2)歷史洪水統計法

統計2007年以來合面獅26次泄洪中時間關系較明顯的場次18場(見表4)，洪峰傳播時間范圍為7～13 h，其中7 h 3場，8 h 4場，9 h 2場，10 h 3場，11 h 4場，12 h 1場，13 h 1場。

表4 歷史洪水洪峰傳播時間統計

3)經驗公式法

一般情況下，根據上下兩個斷面的平均流速和河段長度計算洪水傳播時間。

曼寧公式:

C=n-1h2/3J1/2

(3)

謝才公式:

v=C(RJ)1/2

(4)

將公式(3)代入公式(4)，并用平均水深h代替水力半徑R，可得：

v=n-1h2/3J1/2

(5)

可以看出，洪水傳播速度與河床糙率、過水面積、平均水深、河道水面比降等因素有關。

南豐水文站以上區間河道彎多，石質河床，糙率取0.04；平均水深選取6 m、7 m、8 m 3種(對應水位和流量分別約為36 m、37 m、38 m；2 800 m3/s、3 300 m3/s、3 800 m3/s)，河段平均坡降為0.471‰，洪峰前后水面比降接近河床比降，可借用；根據南豐站不同洪水等級選擇3種平均水深進行計算。

合面獅水庫至南豐水文站46 km，根據表5流速，計算洪峰傳播時間為5.9～7.1 h。

表5 合面獅水庫至南豐水文站洪水流速計算

2.2 流量計算

賀江南豐水文站洪峰流量主要由合面獅水庫泄洪流量加區間降雨匯流形成，合面獅水庫泄洪流量在傳播至南豐斷面過程中，需考慮坦化，故南豐水文站洪峰流量可用公式表示為：

Q南豐=f(L)Q合+f(P區間)

(6)

(7)

式中Q南豐為南豐水文站流量，m3/s；Q合為合面獅出庫流量，m3/s；j為坦化系數；k′為區間降雨產生的流域出口流量系數；P區間為南豐水文站峰前48 h區間造峰雨量，mm。

采用南豐水文站建站以來合面獅26場泄洪資料、對應的南豐水文資料和區間降雨分析計算k′，j值。

選用信都、扶隆、南豐、西山、大水口5個雨量代表站，計算南豐峰前48 h內造峰雨量，算術平均法計算平均值(見表6)。

表6 區間平均降雨量計算

選取區間降雨較小的洪水場次，初步計算坦化系數j值為0.92～0.97。經試算，當j值為0.94，k′值為7時，26個樣本中，計算流量正偏離13個；負偏離13個；相對誤差絕對值≤10%的樣本24個，保證率92.3%；相對誤差絕對值≤20%的樣本26個，保證率100%。總體樣本確定性系數DC為0.96[5]，屬洪水預報甲等方案[6](見表7)。

表7 參數分析

2.3 水位預報

選用南豐水文站建站以來，合面獅26次泄洪的南豐水文站相應洪水水位流量資料，建立水位流量相關圖[7]。因低水部分受電站調度影響關系散亂，同時南豐水文站水位在36.0 m以下基本上不需啟動洪水預報作業，因此在南豐站水位在36.0 m以上，洪峰流量在2 500 m3/s以上13場洪水資料系列中，以起漲水位33.7 m和34.6 m外包，建立以起漲水位為參數的4條關系線，起漲水位分別為33.7 m、34.0 m、34.3 m、34.6 m。其中2010年6月15日20：00，南豐水位站洪峰水位為38.02 m，相應流量為3 520 m3/s，經查閱當時資料進行分析，該流量偏小，作為特殊值處理(如圖2所示)。

圖2 南豐水文站水位預報相關示意

3 結語

1)馬斯京根法計算樣本偏少，分析結果為5.5～7.5 h，供參考；歷史洪水統計法統計洪水傳播時間為7～13 h；經驗公式法計算洪水傳播時間為5.9～7.1 h。綜合考慮河道特點、洪水組合以及工程調度影響，建議該河段洪水傳播時間采用7 h。

2)通過分析洪峰水位和流量關系，以起漲水位33.7 m和34.6 m外包，得出南豐水文站起漲水位分別為33.7 m，34.0 m，34.3 m，34.6 m 4種情況下的洪峰流量與相應水位關系圖。

3)雖然流量誤差確定性系數0.96，達到洪水預報方案甲等等級，但是區間造峰雨流量相關系參數k′值為7.0，概化程度較高，未考慮前期降雨、時空分布、匯流時間等因素，使用時需綜合考慮。

4)馬斯京根法試算得出參數k、x值，但樣本數量有限，建議參考使用，馬斯京根法可作為第二方案對比使用。