南川河貴石溝水文站洪水預報方案解析

王文君

（陽泉市水旱災害防御中心，山西 陽泉 045000）

1 流域概況

1.1 自然地理

南川河為桃河的一級支流，發源于平定縣的端嶺、七千寨、潘家峪一帶，自西向東經南坳、羅家峪、暫石，在西郊與陽勝河會合，折而北流，經南上莊、南坪至亂流匯入桃河。流域全長38.6 km，流域面積531 km2，主河道長26 km，流域均寬7.96 km，河床比降較陡，在10‰～200‰之間。南川河主要由上游的三大支流原坪河、尚怡河、蘇村河及中游左岸的城南河組成。貴石溝為南川河的一級支流，入河口位于河道中游，水文站以上流域面積145 km2。

1.2 水文氣象

貴石溝水文站控制流域位于土石山區，受地理環境影響較大。春季回暖迅速，氣溫日變化較大，雨水稀少，蒸發量大，干旱多風沙；夏季高溫，雨量集中，空氣濕潤，風速較小；秋季降溫迅速，雨量驟減，氣候涼爽；冬季嚴寒干燥，雨雪稀少，多偏北風。屬暖溫帶大陸性季風氣候。多年平均氣溫10.5℃，無霜期在170 d。全年總日照時數為2 787 h，封凍期一般在12月中旬至次年3月中旬，多年平均封凍期為90 d，平均風速2 m/s。

1.3 水利工程

南川河上游建有3座小（一）型水庫，分別是尚怡水庫、原坪水庫、上冶頭水庫。

尚怡水庫位于陽泉市平定縣冶西鎮尚怡村，水庫大壩為粘土心強砂礫石混合壩，控制流域面積為50.6 km2，于1974年開工，1978年完工，防洪標準為50年一遇設計，200年一遇校核，總庫容590.4萬m3，為Ⅳ等Ⅳ級小（一）型水庫。

原坪水庫位于陽泉市平定縣冶西鎮原坪村，水庫大壩為重粘土斜墻土壩，控制流域面積為27.8 km2，1982年完工，防洪標準為50年一遇設計，100年一遇校核，總庫容382萬m3，為Ⅳ等Ⅳ級小（一）型水庫。

上冶頭水庫位于陽泉市平定縣冶西鎮上冶頭村，水庫大壩為砌石石拱壩，控制流域面積為10 km2，1979年完工，防洪標準為50年一遇設計，100年一遇校核，總庫容123萬m3，為Ⅳ等Ⅳ級小（一）型水庫。

三座水庫為平定縣城及冶西、冠山、石門口三個鄉鎮，19個村，2.87萬人，957.33 hm2耕地和陽煤集團五礦、陽光發電有限公司、京宇磁材有限公司等10多個重要企事業單位提供供水保障，為307國道、太舊高速公路等重要交通干線提供防洪保護。

1.4 水文站網

貴石溝水文站控制流域內，現有水文站1處（貴石溝），已建自記雨量站共計7處。

2 預報方案解析

2.1 合理性分析

預報方案是以與斷面有關的河段、流域特征和洪水構成為基礎，利用預報模型和合理方法進行演算而形成的一個體系。

根據貴石溝流域下墊面屬性現狀，結合流域形狀和雨量站點布置，將流域分成若干個單元，以單元為基礎計算產流和匯流，得出單元面積的出流量，然后將出流過程按河系串聯，從上游依次以節點向下游演算，最后求得貴石溝斷面的洪水過程。單元劃分演算方法，物理概念清楚，弱化了降雨、產流空間的不均勻性，有利于提高成果的精度。該預報方案采用水文模型單元產流、匯流法預報，方案比較合理。

2.2 單元劃分

充分運用流域內現有的水文雨量站網資料，通過水文比擬、暴雨面積加權等方法，盡可能地使每個單元都有代表性雨量資料。按照流域特性相近、水系完整、暴雨特性差異不大的原則，劃分為4個單元。

第1單元原坪水庫控制流域，單元面積30.03km2。水文下墊面由砂頁巖灌叢山地組成。單元相關區間雨量由原坪1個雨量站控制。

第2單元尚怡水庫控制流域，單元面積48.86km2。水文下墊面以砂頁巖灌叢山地、砂頁巖森林山地組成。單元相關區間雨量由馬家莊、大南莊2個雨量站控制。

第3單元下冶頭水庫控制流域，單元面積29.27km2，水文下墊面以砂頁巖灌叢山地、砂頁巖森林山地組成。單元相關區間雨量由下冶頭1個雨量站控制。

第4單元南川河控制流域，單元面積32.51 km2，水文下墊面主要以砂頁巖灌叢山地、黃土丘陵階地組成。單元相關區間雨量由南溝、原坪、尚怡、下冶頭4處雨量站控制。

2.3 節點選定

各單元之間因下墊面的不同，需設置節點來反映流域的連通性，進而分析洪水的來源。本預報方案在單元劃分的基礎上，選定 3個結點（1001、1002、1003），用以在預報系統編制中顯示各結點的洪水信息，使預報成果更接近實際。流域單元分區及節點位置見圖1。

圖1 貴石溝水文站上游洪水預報單元分區示意圖

2.4 方案說明

貴石溝洪水、預報方案共有4個單元（A1、A2、A3、A4）和3個節點，通過河道流量演算與4個單元產匯流計算結果疊加，可得出貴石溝水文站出口斷面流量、洪量過程。方案流程見圖2。

圖2 貴石溝水文站上游洪水預報方案流程圖

2.5 資料匯編

貴石溝洪水預報方案所選用的資料，嚴格遵守《水文情報預報規范》（GB/T 22482-2008）的要求。

2.5.1 資料的收集

貴石溝洪水預報方案的編制收集了以下資料：

貴石溝水文站以上流域區間及鄰近流域內7處雨量站，設站起至2016年的降水和流量資料；南川河流域內1∶50 000平面圖，對流域內植被進行調查，收集地質和水文地質資料；對流域內的河道特征值進行重新量算；利用兩種以上面積權重計算方法，對流域內各雨量站面積進行量算，結合實際選取最精確的面積量算結果。

2.5.2 資料的處理

方案編制從貴石溝水文站觀測整編的資料中挑選場次洪水，并對各雨量站原始記錄所對應各場次洪水的雨量，及前15日的雨量按時段1 h進行摘錄，對流域內簡易站點，采取人工觀測資料結合周邊自記雨量站記錄的降水過程和強度進行等時段分析處理。

同時，在資料整理過程中，為了模型參數率定科學合理，通過點繪每場暴雨洪水過程線圖，分析場次暴雨洪水的雨區分布、徑流系數、產流面積、產流規律等措施，保證每場洪水雨洪配套較好，最后選用雨量分布均勻，雨洪配套較好的洪水進行模型參數率定。

3 參數率定及合理性分析

方案或模型的確定性系數，是洪水預報過程與實測過程之間的吻合程度指標。預報方案精度評定，按《水文情報預報規范》（GB/T 22482-2008）進行。

3.1 參數率定與成果

概念性水文模型的參數分為物理參數與過程參數。物理參數，代表著流域可以測量的物理特性，如流域面積等；過程參數，代表著流域不能直接測量的物理特性，過程參數必須進行率定。參數率定的主要依據，是洪水預報過程與實測過程吻合程度。

3.1.1 參數率定要求

貴石溝以上流域共劃分4個單元，3個結點，由于流域內原有雨量站點稀少，雨量代表性差，很多雨量站觀測段次不能滿足預報要求，再加上所選用的洪水場次較少，所以很難率定出精度較高的參數。

本次洪水預報方案一共選用2場次雨洪配套資料，為降低方案率定難度，方案率定時，首先對流域內的暴雨中心和暴雨的走向進行資料分析，合理分配時段雨量，調整各雨量站所占權重，最后以預報結果與實測結果進行對比，相差在允許誤差內或最為接近時調試各單元參數。

（1）率定步驟

流域模型參數的率定，大致可以分為以下三步進行：首先，按照洪水預報流域單元劃分情況，確定雨量和流量站位置名稱，并對資料進行錄入整理；其次，按照流域下墊面情況，建立子流域文件，初步選定參數值。最終，通過程序運行和成果分析，結合流域現狀調查情況，對參數進行調整，確定參數值。

（2）率定的原則

由于貴石溝以上流域下墊面情況比較單一，各單元地類相似，所以在率定產匯流參數時，根據下墊面情況直接借用臨近或相似單元的參數。

首先選用近期雨量和流量資料控制較好、觀測精度較高的洪水進行參數率定，同時結合《山西省水文計算手冊》分析成果，包括流域吸收率、導水率、流域水文下墊面圖等，為早期洪水參數率定積累經驗、奠定基礎。

3.1.2 率定結果

貴石溝水文站雨洪配套資料較少，本方案選用了2場洪水過程進行預報演算，經過對各組參數反復調試，2場洪水過程分為低水、高水，作為貴石溝以上流域預報參數初值，由于洪水場次較少，需要在今后的實踐中不斷地修定。產流參數率定結果見表1。

3.2 合理性分析

洪水預報精度評定的項目，包括洪峰流量、峰現時間、徑流深等。因實際預報技術水平及成果使用要求的不同，預報精度會產生一定的誤差，《水文情報預報規范》（GB/T 22482-2008）對許可誤差主要有以下規定：

洪峰預報許可誤差。降雨徑流預報以實測洪峰流量的20%作為許可誤差；河道流量（水位）預報以預見期內實測變幅的20%作為許可誤差。當流量許可誤差小于實測值的5%時，取流量實測值的5%，當水位許可誤差小于實測洪峰流量的5%所相應的水位幅度值或小于0.10 m時，則以該值作為許可誤差。

峰現時間預報許可誤差。峰現時間以預報根據時間至實測洪峰出現時間之間時距的30%作為許可誤差，當許可誤差小于3 h或一個計算時段長，則以3 h或一個計算時段長作為許可誤差。

表1 貴石溝水文站雙超產流模型參數率定成果表

表2 貴石溝水文站河道流量演算參數率定成果表

徑流深預報許可誤差。徑流深預報以實測值的20%作為許可誤差，當該值大于20 mm時，取20 mm；當小于3 mm時，取3 mm。

各控制點各場次洪水的評定結果，見歷史洪水過程模擬評定成果表3。

表3 貴石溝水文站各場次洪水模擬評定成果表

本次預報只對洪峰流量及峰現時間進行了分析，2016年8月24日洪峰，由于降雨不均且非全流域產流，導致模擬與現狀出現較大差值。其余都在允許誤差范圍內，預報精度較為可靠。

4 問題及建議

由于貴石溝水文站為新建水文站，歷史洪水及雨洪配套資料較少，對參數的選取上缺乏依據，導致預報精度的誤差偏離值較大。為進一步提高洪水預報的準確性，更好地為防洪減災服務，須加大流域范圍內各種資料調查工作的力度，優化單元劃分、節點選定和參數率定等關鍵程序，用多種方法進行計算結果比選，使洪水預報更及時結果更精準。