基于中國洪水預報系統的周官屯穿運樞紐洪水預報研究

□王艷麗

周官屯穿運樞紐工程是子牙新河、北排河與南運河的交叉行洪工程，興建的主要目的，是為了妥善解決3 條河流之間交叉行洪的復雜矛盾，且有效調節南運河水量，是滄州市防汛重點關注的預報斷面，通過建立適用于小水(主槽行洪)和大水(漫灘行洪)的洪水預報模型，可應用于洪水作業預報，對子牙新河周官屯樞紐洪水期防汛調度尤為重要。

1.研究概況

周官屯穿運樞紐工程是子牙新河、北排河與南運河的交叉行洪工程，位于滄州青縣周官屯村南與馮官屯之間，由南運河節制閘、子牙新河主槽涵洞、北排河涵洞、灘地平交埝等6 個主要部分共同組成，為解決子牙新河、北排河與南運河交叉行洪的復雜矛盾及調度南運河水量而建。南運河與子牙新河采用平、立交形式交叉，在運用上，應盡量減少破平交埝的機遇，充分利用主槽涵洞泄洪，北排河涵洞工程設計處理方法與子牙新河主槽相類似，僅規模略小。為解決大水情況下，渡槽漂浮不穩而建的引水壓槽工程由引水渠、引水涵洞和引水壓槽閘3 部分組成。子牙新河獻縣進洪閘至周官屯穿運樞紐河段全長81km，兩堤寬2km～3km，設計流量5500m3/s，校核流量8800m3/s。

隨著現代電子計算機及網絡通信技術的發展，為我國洪水預警預報管理系統的構建應用提供了先進技術手段和條件，使得洪水預警預報信息在采集、傳輸、數學模型計算分析、預警信號的發布和服務等各個環節融合在一起，實現了周官屯穿運樞紐洪水預警預報聯機作業。根據設置的預報子牙新河周官屯穿運樞紐洪峰流量、峰現時間及洪水總量任務，通過加載水情數據實時庫(包括降雨、水位、流量等數據資料)，根據當前洪水形成的規律和具體特點，找出對應模型計算公式，繼而確定洪水的預報方案，基于設置的洪水預報方案，將其計算結果和實測數據相互對比，求出相應誤差，再重新調整相應參數值，比較結果與誤差，直至誤差最小，即率定出參數的最優值。基于建立的預報方案，為保證預測結果的精確性和可靠性，需將所制訂的預測方案，根據其允許的誤差程度標準要求進行方案評定和檢驗。該方案建好后即可對正在發生的強降雨及上游來水情況進行實時監測和預報，推算得出將要發生的洪水量大小及發生洪水出現時間，用于子牙新河周官屯穿運樞紐洪水期防汛調度工作，可為周官屯穿運樞紐洪水期防汛減災工程提供技術支撐。

2.周官屯穿運樞紐洪水預報

洪水預報系統模型法根據子牙新河獻縣至周官屯段(距離81km)過水資料，確定模型的輸入、輸出，選定計算模型，對歷史資料進行模擬計算率定、驗證，可用于周官屯穿運樞紐洪水作業預報。

2.1 方案構建

預報方案設置子牙新河獻縣進洪閘實測流量為輸入，周官屯穿運樞紐實測流量為輸出，分大水（灘地行洪）和小水（主槽行洪）兩套方案。

大水（灘地行洪）采用河北河道匯流模型（HBHDMODEL），方案輸入為獻縣30901400+30901402，輸出為周官屯30901600+30901602，方案計算時段為h，方案輸出類型為流量。

小水（主槽行洪）采用帶下滲馬斯京根分段連續演算模型（MSKLOSS），方案輸入為獻縣進洪閘30901400，輸出為周官屯主槽30901600，方案計算時段為1h，方案輸出類型為流量。灘地行洪、主槽行洪結構圖見圖1、圖2。

圖1 灘地行洪結構圖

圖2 主槽行洪結構圖

2.2 模型原理

2.2.1 模型原理

河北河道匯流模型（HBHDMOD?EL）河道沿程造成的損失計算，根據80年代后平原河道行洪的實際資料，先從模型輸入量中扣除河段損失，再進行調洪演算的一種計算方法。

計算時先將輸入扣除損失，并考慮河段面上降雨，即：

式中：

Ip=Ia+ph-Fh；

Ph=PΔt×B×L/Δt；

Fh=FΔt×B×L/Δt；

Ia—輸入斷面平均入流；

Ph—河面時段雨量(P△t)；

Fh—t 時刻的下滲量/時段(F△t)；

B—計算河道的平均河道寬；

L—輸出河段的河道長；

t—計算時段長h。

河道下滲選用霍頓公式，計算時段短時，F(下滲率)×△t(時段長)=時段下滲量F△t。

表1 子牙新河周官屯穿運樞紐率定目標函數值統計表

表2 子牙新河周官屯穿運樞紐預報率定場次洪水統計表

表3 子牙新河周官屯穿運樞紐預報模型參數統計表

表4 周官屯洪水預報方案等級評定表

圖3 1988 年場次洪水率定圖

圖4 1996 年場次洪水率定圖

由于前期損失大，即霍頓公式中的fo 較大，模型輸入量首先滿足河道初損、下滲后，輸入量才能流到輸出斷面，故用累計輸入量（上游來水量）與累計入滲量之差，來扣除損失。

當 IWn≤0，Ipn=0；IWn＞0， I，pn=IWn-IWn-1

式中：

IWn—第n 時段累計入流（包括河面降雨）與累計下滲之差；

其他符號同前；

Iat、Pht、Fht—時段平均值（單位m3/s）；

Ipn—第n 時段平均入流。

馬斯京根分段連續演算模型（MSKLOSS），由G.T.麥卡錫提出，在馬斯京根河得到應用和研究，可用于匯流演算。分析河段從輸入到輸出有水量損失時，即河段槽蓄量的變化等于過水流量與入滲量沿程變化之和。

將上式（3）轉化為上述平衡方程，簡之為計算河段的槽蓄方程，則分別為：

式中：

dW—計算時段內河道槽蓄量變化；

I—河段平均輸入量；

Q—河段平均輸出量；

F—河段平均入滲流量。

令I′=I-F，則式(4)和式(5)分別變為：

根據下滲經驗公式，如河道平均河寬為B，河段全長為ΔL，則Δt 時段的入滲量F 為：

計算時，根據ΔL 及過水資料中的傳播時間來定Δt，將河逐一分成單元來分別演算。輸入量進入Ⅰ單元開始算入滲量（F），求出凈輸入量（R）后由R 計算至Ⅱ河段，Ⅱ單元河段再計算自身河長的R，同時演算至Ⅲ單元河段……，直到輸出斷面為止。在此，預報河道入滲量全程發生時時變動，同一個單元的河道在不同的時間段也發生著時時變動。這種將馬斯京根分段連續演算方法與霍頓的飽和入滲方程相融合，就建立了一個從入流到出流，從地表至地下的計算框架，模擬了洪水在傳播過程中由河道向地下滲漏及洪水波向下游傳播的過程。

圖5 周官屯站作業預報結果圖

2.2.2 模型參數

河北河道匯流模型（HBHDMOD?EL）中：

W—河道平均水面寬度，m；

L—河長，km；

HK—霍頓下滲曲線參數；

AH—1km 河長的匯流時間；

BH—斷面形狀參數，河道匯流取值小于0.4；

TH—河段上下斷面的傳播時間，h；

HFI—初始下滲率，mm/h；

HFC—穩定下滲率，mm/h；

馬斯京根分段連續演算模型（MSKLOSS）中：

x—反應河道對上游來水調蓄情況。河道越平坦，取值越小，范圍在0.01～0.5 之間；

KK—演算時段長度；

MP—演算河道分段數；

F0—初始下滲率，mm/h；

FC—穩定下滲率，mm/h；

FK—下滲常數，反映土壤物理性質，取值范圍0～1；

L—河長，km；

W—水面寬度，m。

2.3 參數率定

2.3.1 模型率定結果

方案率定分小水（主槽行洪）和大水（灘地行洪），分別采用1988 年和1996 年洪水資料，目標函數統計見表1。

參數率定結果由率定結果可知，1988 年場次洪水中預報洪峰流量為237m3/s，而實測洪峰流量252m3/s，相對誤差6%；預報洪水總量180×106m3，而實測洪水總量為199×106m3，相對誤差9.5%，能達到《水文情報預報規范》(GBT22482-2008)中規定的許可誤差小于20%。見圖3。

1996 年場次洪水中預報洪峰流量為1463m3/s，而實測洪峰流量1588m3/s，相對誤差7.9%；預報洪水總量1786×106m3，而實測洪水總量為1787×106m3，相對誤差0.1%，能達到《水文情報預報規范》（GBT22482-2008）中規定的許可誤差小于20%的。見圖4。

子牙新河周官屯穿運樞紐預報率定場次洪水統計見表2。

2.3.2 模型參數見表3

2.3.3 模型檢驗

用最近年份2016 年7 月19 日實測洪水驗證模型，洪水屬于小水（主槽行洪），采用對應小水（主槽行洪）參數，作業預報驗證結果見圖5。

2.4 預報方案

根據《水文情報預報規范》（GBT22482-2008），在率定調參時，擬合的精度可用兩種目標函數進行表達，即確定性系數準則和合格率準則。因滄州地處平原，過水年份較少，方案率定時使用洪水資料少，達不到規范場次標準，方案的評定暫以率定結果中的確定性系數準則為依據。預報斷面的預報等級見表4。

3.結論與建議

周官屯穿運樞紐按小水主槽行洪和大水漫灘行洪貼合當地實際過水情況，模型程序化提高了預報的精度和時效性，通過近期洪水檢驗，從洪峰流量和洪水過程擬合度上，預報精度效果很好。因滄州地處平原，過水年份較少，方案率定時使用洪水資料少，達不到規范場次標準，預報方案降低使用，建議結合傳統預報方法和預報人員經驗，根據實際洪水情況及見水后實測流量滾動作業預報。□