汾河下游新絳斷面洪水預報系統研究

杜亞平

（運城市水文水資源勘測站，山西 運城 044000）

1 項目概況

汾河是山西省境內第一大河流，是黃河第一大支流，發源于忻州市寧武縣管涔山，在萬榮縣榮河鎮廟前村入黃河，全長716km，流域面積39471km2。本次項目的研究區域為汾河臨汾境內的柴莊斷面至運城境內新絳斷面，全長58km。

柴莊水文站位于汾河中下游的襄汾縣南賈鎮上魯村，是山西省汾河干流上國家級重點水文站。1956年由原史村站（1951年設立）下遷至此。流域內有嵐河、瀟河、文峪河、洪安澗河、澇洰河等較大支流匯入，上游有汾河、文峪河等3座大型水庫、8座中型水庫；流域集水面積33932km2，距匯入黃河距離129km，控制河長565km，河道縱坡0.233%。

新絳水文站位于臨汾盆地南端新絳縣，新絳站斷面上游流域面積約為35532km2，流域長度為323.7km，距河口距離為89km。汾河新絳水文站下游總人口150萬人，是運城市經濟發展的重點區域，其國民生產總值占全市的32%。自1996年以來，下游防汛被各級政府列為防汛工作重中之重。

2016年7月，受流域長歷時連續強降雨影響，汾河中上游發生持續暴雨洪水，新絳水文站斷面上游水文站均發生超過400m3/s流量的洪水，持續不斷地迅速向新絳斷面推進，根據7月19日至7月28日的實測數據，洪峰流量最大為450m3/s，這是自1996年以來發生的最大的一次洪水。

根據汾河下游暴雨洪水特點，用汾河下游柴莊水文站與新絳水文站之間的實測洪水資料與區間降雨資料，編制新絳斷面的洪水預報方案，開發汾河下游新絳斷面洪水預報系統，可有效提高洪水預報精度，增長有效洪水預見期，提高防汛抗旱指揮決策的科學性，充分發揮水利工程減災效益。

2 研究方法

根據柴莊至新絳斷面之間的實測暴雨及洪水資料，統計降水、暴雨及洪水特性，建立兩斷面之間的一維水動力洪水預報模型，預報新絳斷面的洪水流量與水位過程，開發新絳斷面洪水預報系統。研究內容分為以下三個方面，技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖

（1）汾河下游柴莊至新絳斷面之間暴雨及洪水特性分析

從年際和年內兩個尺度分析柴莊—新絳站區間的降水特性；分析新絳站的暴雨特性，如暴雨發生時間、暴雨歷時和暴雨強度等；分析柴莊站的洪水特性，如洪水歷時、漲洪歷時和不同歷時洪量等；計算柴莊斷面0～300量級、300～600量級、600～900量級、900～1200量級、1200～1500量級和1500～1800量級洪水過程線。

（2）建立汾河下游柴莊至新絳斷面洪水的預報方案

采用一維非恒定流Saint-Venant方程組，建立汾河柴莊—新絳斷面之間的洪水預報模型。選取汾河柴莊—新絳段2016年“7·19”雙峰型洪水實測資料，進行參數率定和模型驗證。采用汾河柴莊2015年8月3日實測流量資料，進行新絳斷面洪水過程預測。根據柴莊站不同頻率不同量級洪水計算結果，模擬預測新絳斷面0～300量級、300～600量級、600～900量級、900～1200量級、1200～1500量級和1500～1800量級的洪水過程。

（3）新絳斷面洪水預報系統開發

采用理論研究和應用研究相結合的研究方法，在總結現有國內外經驗的基礎上，從滿足防洪減災實際需求出發，制定洪水預報系統各項功能目標，研究洪水預報系統體系結構，最終將研究成果進行集成，開發完成一個業務化的洪水預報系統。

新絳斷面洪水預報系統是一個集地形展示、降雨信息展示、不同量級洪水預測、兩次大型洪水模擬分析，以及可實際操作演算于一體的系統。該系統是借助于一維水動力模型和HTML超文本標記語言來實現的，系統可根據實測流量來進行新絳斷面的洪水流量計算。新絳斷面洪水預報系統，操作簡單且對數據資料要求不高，只需輸入上游斷面的流量數據，即可獲取下游新絳斷面的洪水過程預測。

3 汾河柴莊—新絳段洪水演進模擬

3.1 區域地形

從汾河柴莊水文站到下游新絳水文站，河道全長約58km，河道寬度在100～400m之間變化，河道平均縱坡約為1.3‰，河底沿程高程采用黃海高程。本研究模擬區域內，柴莊斷面和新絳斷面采用水文站記錄資料，新絳水文站上游采用5個實測斷面資料，模擬區域內其他斷面采用插值得到。

3.2 參數選取

根據《山西河流洪水糙率》中，柴莊站洪水糙率表和汾河柴莊站糙率研究基本情況說明表，并結合模型試算率定結果，最終確定汾河研究區主河道糙率如表1所示。

表1 主河道糙率值

將這個河道糙率設置為默認值，由于實際資料的不足，無法確定準確合理的糙率值，因此給出如表2所示的河道糙率取值范圍。在后續實際操作中，操作人員可根據經驗來進行適當的取值。

表2 柴莊站洪水糙率表

3.3 模型檢驗

采用汾河柴莊—新絳段2016年“7·19”雙峰型洪水實測資料，進行模型驗證。上游采用“7·19”洪水柴莊站的實測洪水流量過程線作為入流條件，下游根據新絳斷面實測斷面形態，計算得到新絳斷面的流量—水位關系，以此作為出流邊界。

新絳斷面實測資料從2016年7月19日下午3時開始記錄，此時流量為140m3/s，后于2016年7月31日24時，流量降至100m3/s以下，因此，模型驗證誤差分析采用該時段進行比較，模擬時長共計300h。新絳斷面水位實測與模擬值對比見圖2，相對誤差為δ=0.023%，相關系數為R2=0.993。

圖2 新絳斷面實測與模擬水位過程線

新絳斷面流量實測與模擬值對比見圖3，相對誤差為δ=5.444%，相關系數為R2=0.973。

圖3 新絳斷面實測與模擬流量過程線

時段內實測洪水總量為23391.34萬m3，模擬洪水總量為22657.33萬m3，相對誤差為3.14%。符合水文模擬誤差允許范圍，該模型對汾河柴莊—新絳段的洪水模擬結果可靠有效。

洪水總量及兩次洪峰的流量、水位和到達時間的模擬值和實測值對比分析見表3。

表3 洪水要素分析

4 結論

采用一維非恒定流Saint-Venant方程組，建立汾河柴莊—新絳段洪水演進模型。采用汾河柴莊—新絳段2016年“7·19”雙峰型洪水實測資料，進行模型驗證。新絳斷面水位實測與模擬值相對誤差為δ=0.023%，相關系數為R2=0.993。新絳斷面流量實測與模擬值相對誤差為δ=5.444%，相關系數為R2=0.973。時段內實測洪水總量為23391.34萬m3，模擬洪水總量為22657.33萬m3，相對誤差為3.14%。符合水文模擬誤差允許范圍，該模型對汾河柴莊—新絳段的洪水模擬結果可靠有效。

汾河下游新柴莊—新絳斷面洪水預報系統，主要是將水動力模型與HTML語言相結合，實現洪水的預報和展示。利用信息數據庫資源、一維水動力學模型以及HTML語言的集成，展示了汾河柴莊—新絳段的水文特定分析成果結果、流域信息、區域地形信息，以及部分實測和不同量級洪水預測成果等內容，并實現了根據柴莊斷面的流量過程，進行新絳斷面的水位和流量過程的預測。通過本次設計，拓展了在水文業務的應用，完善了汾河下游新絳斷面的洪水預報系統，提高了洪水預報精度和管理水平，提供了防汛調度決策保障。

由于新絳站實測系列資料較少，無法確定準確合理的糙率值，可在表2所示的河道糙率取值范圍中，根據經驗進行適當取值。