基于中國洪水預報系統(tǒng)“楊洼閘～土門樓樞紐”預報方案的構建及實際應用分析研究

劉英才

（河北省廊坊水文勘測研究中心，河北 廊坊 065000）

1 概述

2021 年6 月26 日北運河北關樞紐至北京市界正式通航，北運河北京段的通航，給北京市水上交通運輸業(yè)帶來新業(yè)態(tài)、新情況和新要求，創(chuàng)造多項新的歷史：北京市第一次出現(xiàn)航道和航運；第一次出現(xiàn)船閘等通航建筑物運行管理；第一次出現(xiàn)市內(nèi)水路運輸，同時也給北運河北京段下游土門樓樞紐的水文情報預報工作帶來了極大挑戰(zhàn)。

為保障北運河北京段通航質(zhì)量，需將該河段水位抬高，且長期處于較高水位運行。預報或實際降雨出現(xiàn)后，基于河段行洪安全的考慮，北運河北京出境控制站楊洼閘需進行閘門調(diào)度提閘泄水，原預報方案已無法正常使用，需構建以楊洼閘為入流的北運河土門樓樞紐預報方案。

2 預報方案的構建

在往年的防汛工作中，北運河北京段無需考慮通航所需的保證水位，僅保留部分生態(tài)水量，依靠北關樞紐的調(diào)度控制下泄水量。原北運河北京段下游土門樓樞紐預報方案是基于中國洪水預報系統(tǒng)，依據(jù)上游三個入流模擬出土門樓樞紐的出流過程；通航后楊洼閘控制了大部分入流，預報方案變?yōu)橐詶钔蓍l為主的兩個入流模擬土門樓樞紐的出流過程。

2.1 原土門樓樞紐預報方案

北運河土門樓的洪水主要由通州北關攔河閘下泄洪水、涼水河洪水、鳳港減河洪水及各閘的閘前蓄水組成，各洪水相迭加即為土門樓的洪水預報過程。

預報方案共包括3個輸入，分別是北關攔河閘下泄流量、涼水河張家灣站流量、鳳港減河區(qū)域產(chǎn)匯流，其結構圖見圖1。

圖1 原北運河土門樓樞紐預報結構圖

（1）對于北關攔河閘至土門樓及涼水河張家灣至土門樓的河道演算，選用常用的馬斯京根法。其率定后的參數(shù)如下：

北關分河閘至土門樓站的馬斯京根參數(shù)：X=-0.687， KK=1， MP=16。

張家灣至土門樓站的馬斯京根參數(shù)：X=-0.653， KK=1，MP =7。

（2）鳳港減河的洪水計算，匯水面積為220 km2。選用國內(nèi)外常用的三水源新安江模型進行洪水計算，其率定后的參數(shù)見表1。

表1 鳳港減河小流域優(yōu)選出的新安江模型參數(shù)

考慮到鳳港減河來水受軍屯閘控制，在實際預報過程中，常根據(jù)閘門情況，在模型中的入流情況加入固定值。

2.2 “楊洼閘～土門樓樞紐”預報方案的構建

北運河北京段通航后，楊洼閘作為北運河北京的出境站需要控制北運河的整體水位以保障通航質(zhì)量。楊洼閘位于北關攔河閘及涼水河匯入北運河入河口以下，楊洼閘泄水造成的洪峰量級遠大于上游北運河北關攔河閘、涼水河張家灣站疊加的洪峰量級，造成了下游土門樓樞紐發(fā)生洪峰的貢獻變化，洪峰的發(fā)生主要受楊洼閘下泄最大流量的影響。因此構建了以楊洼閘為主要模型輸入的全新預報方案。

預報方案僅有1 個輸入，為楊洼閘下泄流量，在實際預報過程中，還需考慮北運河土門樓木廠閘、青龍灣減河土門樓閘的閘前蓄水與上游來水進行疊加，其預報結構見圖2。

圖2 “楊洼閘～土門樓樞紐”預報結構圖

對于楊洼閘至土門樓的河道演算，選用馬斯京根法。受資料不足影響，參數(shù)MP 依據(jù)楊洼閘至土門樓樞紐的實際距離選取， X 值考慮不同傳播距離坦化程度的線性變化依據(jù)經(jīng)驗確定如下：X=-0.637，KK=1， MP =4。

3 兩種預報方案在北運河通航后的應用情況對比分析

以2021 年7 月5 日北運河土門樓樞紐洪水過程為例：7 月5 日至6 日，廊坊市北運河上游北京城區(qū)、通州區(qū)出現(xiàn)降水過程，城區(qū)平均降雨量32.0 mm，通州區(qū)平均降水量81 mm。

3.1 原預報方案預報結果

依據(jù)原方案考慮北運河北關攔河閘未進行提閘泄洪，考慮鳳港減河流域平均降雨量及軍屯閘閘門情況，其入流流量15 m3／s。通過中國洪水預報系統(tǒng)模擬北運河土門樓樞紐洪水過程見圖3。

圖3 原北運河土門樓樞紐預報模型預報結果

由于北關攔河閘未提閘泄洪，模型預報并未出現(xiàn)明顯洪峰。

青龍灣減河土門樓閘7 月5 日19 時28 分閘門全提，閘上水位8.90 m，閘底高程7.88 m，依據(jù)閘前蓄水退水公式計算得出上游來水造成洪峰時，閘前蓄水造成的基流為50 m3／s。

基流與模型預報洪峰的疊加即為本次預報成果：北運河土門樓樞紐最大洪峰流量73 m3／s，峰現(xiàn)時間為7 月6 日6 時。

3.2 “楊洼閘～土門樓樞紐”方案預報結果

依據(jù)北運河楊洼閘7 月5 日18 時55 分出現(xiàn)最大泄量346 m3／s，鳳港減河入流流量繼續(xù)采用15 m3／s。通過中國洪水預報系統(tǒng)模擬北運河土門樓樞紐洪水過程見圖4。

圖4 “楊洼閘～土門樓樞紐”預報模型預報結果

模型預報洪峰360 m3／s，峰現(xiàn)時間7 月6 日0 時。依據(jù)閘前蓄水退水公式計算得出上游來水造成洪峰時，閘前蓄水造成的基流為50 m3／s。

基流與模型預報洪峰的疊加即為本次預報成果：

預報：北運河土門樓樞紐最大洪峰流量360 m3／s，峰現(xiàn)時間為7 月6 日0 時。

3.3 預報結果對比分析

實際過水過程為青龍灣減河土門樓水文站7 月5 日19 時45 分水位起漲，起漲水位9.02 m，相應流量162 m3／s，至7 月5 日23 時25 分出現(xiàn)洪峰流量352 m3／s，此后水位及流量緩慢消退。兩種預報結果與實際洪峰、峰現(xiàn)時間誤差情況見表2。

表2 預報誤差情況統(tǒng)計表

由對比情況可以看出，當楊洼閘蓄泄洪水時，“楊洼閘～土門樓樞紐”預報方案的精度明顯高于原方案。

3.4 誤差原因分析

楊洼閘為北運河北關樞紐至土門樓樞紐之間的重要水利工程，其蓄泄調(diào)節(jié)作用直接影響到北運河土門樓樞紐上游來水情況。經(jīng)對本次洪水進行復盤后發(fā)現(xiàn)，土門樓樞紐洪峰主要為楊洼閘加大泄量造成，其水量均來自北關閘至楊洼閘槽蓄水。本次洪水期間，北關攔河閘、涼水河入流等原方案影響因子未對本次預報產(chǎn)生影響。

4 “楊洼閘～土門樓樞紐”方案的缺點

（1）預見期縮短。原預報方案預見期一般為10 h～14 h，“楊洼閘～土門樓樞紐”預報方案中北運河楊洼閘至土門樓樞紐河長僅15 km，傳播時間僅5 h 左右，預見期較之前明顯縮短，水文情報預報人員需更加密切關注上游水情的實時動態(tài)變化，避免出現(xiàn)漏報情況。

（2）該方案僅適用于楊洼閘蓄泄洪水。依照調(diào)度規(guī)律，遇較大洪水或預報有強降雨過程時，楊洼閘一般提前排空底水全提迎汛，楊洼閘將不會對上游來水情況造成影響，考慮到該方案的預見期較短遇較大洪水發(fā)生時仍需適用原方案對土門樓樞紐進行洪水預報。

5 結論與展望

5.1 結論

（1）預報工作不能循規(guī)蹈矩墨守成規(guī)。預報方案不僅要針對各年度的過水狀況及時進行修訂，更要根據(jù)下墊面的變化及時調(diào)整和構建，確保預報方案更貼合實際情況。

（2）“楊洼閘～土門樓樞紐”預報方案建立時間較短，部分參數(shù)的確定來自于經(jīng)驗分析，后期需收集相關資料，對該方案進行率定，以提高方案的預報精度。

（3）當北運河楊洼閘不節(jié)制上游來水，北運河土門樓樞紐洪水依舊為北關攔河閘下泄洪水、涼水河洪水、鳳港減河洪水及各閘的閘前蓄水組成，原“北關～土門樓”方案依舊適用。

5.2 展望

北運河正式通航至今，只經(jīng)歷一個汛期，用于模型率定及方案檢驗的資料較少，參數(shù)的適用性需進一步驗證。后期加強相關資料收集整理工作，進一步提高方案參數(shù)的適用性。