頂托影響下茅坪水文站洪水預報探索

陳 航，楊 鋒

（邵陽水文水資源勘測中心，湖南 邵陽 422000）

1 流域概況

邵水發源于湖南省邵東市南沖，位于邵陽市東北部，流域面積2 068 km2，全長112 km。邵水從源頭南沖向南流經邵東市檀木壙、樂福亭、兩市鎮、牛馬司、魏家橋、大祥區雙江口，于邵陽市區沿江橋處匯入資水，河流平均坡降0.79‰。茅坪水文站位于邵水入河口上游約2.7 km處，控制流域面積2 060 km2。歷年來，茅坪水文站多次出現受資水頂托的現象。

資水，又稱資江。西源赧水發源于城步縣黃馬界，南源夫夷水發源于廣西資源縣貓兒山，西源赧水與南源夫夷水相比，其面積大36.3%，河長短24.2%，故以西源赧水為主流，赧水從源頭黃馬界向東北流經武岡、納蓼水、平溪、辰水，向東流經隆回，至邵陽縣雙江口與南源夫夷水匯合后始稱資水，然后北流，至邵陽市區納邵水，經新邵以下納石馬江、大洋江、渠江，安化以下納敷溪、洢溪、沂溪等支流，于益陽市甘溪港注入洞庭湖，資水全長653 km，流域面積28 142 km2，流域平均坡降1.44‰，其中邵陽境內長度113.7 km，流域面積14 756 km2。邵陽水文站位于資水干流邵水入河口上游約720 m處，控制流域面積12 238 km2。

2 洪水頂托過程分析

資水邵陽站以上流域面積12 238 km2，資水支流邵水流域面積2068km2，兩者面積比例約為6∶1，受流域面積差異影響，交匯區洪水頂托以資水邵陽以上流域來水為主。根據歷年洪水要素分析，邵水洪峰到達邵水口時與資水洪水遭遇，干支流匯流比較大時，資水洪水在交匯河口緩慢向資水下游及邵水演進，使得邵水出流受阻，出現茅坪站水位隨資水來水增大而增高的水位壅高現象；當干支流匯流比較小時，邵水出流依然受限，茅坪站流量增加而水位快速上升，斷面流場紊亂，退水緩慢。洪峰通過交匯口后，頂托現象逐漸減小，造成邵水水位滯漲或下降而流量不變或反增的現象。見表1。

表1 歷年洪水干支流匯流比

3 邵水頂托預報

為有效應對洪水頂托現象造成的預報干擾和防洪風險，制定精準有效的洪水頂托預報方案是必然趨勢。

3.1 頂托規律研究

洪水頂托主要受來水流量、干支流匯流比、與交匯口距離、河道斷面、區間河道坡降五個因素影響。其中：洪峰水位隨來水流量增加而增高；支流頂托現象隨干支流匯流比增加而增大；與交匯口距離越近，受頂托作用越強；河道斷面的差異導致水面比降差異；河道坡降越大，對另一河流頂托影響越大。茅坪站河道斷面、河道坡降與交匯口距離均為固定不變的影響因素。受流域面積差異影響，干支流匯流比大，邵水洪水在總流量占比小，受資水洪水頂托的影響程度較大。

本文采用邵陽站、茅坪站2008—2021年40場洪水過程的歷史數據進行分析，將干支流匯流比與邵陽站和茅坪站洪峰水位差的關系繪制散點圖，散點圖具有顯著的反曲線特征，匯流比與水位差為反比例函數關系。

3.2 曲線估計

通過SPSS數據統計分析軟件對2008—2021年共40場洪水的匯流比和水位差進行曲線估計，R方差為0.875，曲線擬合優度強，該樣本符合反比例函數分布。參數分析見表2、表3、表4。

表2 參數估計值

表3 參數估計值的相關性

表4 方差分析

曲線估計參數a、b、c的相關性分別為0.965、0.843、0.754，根據相關系數判斷標準，a、b具有高度相關性，c具有顯著相關性，符合曲線估計相關性要求。函數關系曲線估計計算公式結果如下：

Y=ABS[3.8/（X+0.6）]-0.5

匯流比與水位差散點及關系曲線見圖1、圖2。

圖1 干支流匯流比與水位差散點圖

圖2 匯流比與水位差關系曲線

3.3 曲線檢驗

選用1998—2021年，共24年50場大小洪水進行檢驗，結果如表5。

表5 檢驗場次洪水統計表

根據茅坪站多年歷史資料檢驗反比例函數關系曲線，邵陽站洪峰流量達3 000 m3/s流量以上23場洪水場次的水位預報合格率為100%，2 000～3 000 m3/s流量35場洪水場次的水位預報合格率為94.3%，全部50場洪水場次合格率為82%。

3.4 峰現時間分析

選用1998—2021年，共24年41場邵陽站無復峰的洪水場次繪制邵陽站與茅坪站的峰現時間差曲線圖，結果見圖3。

圖3 匯流比與峰現時間差關系曲線

根據峰現時間差與干支流匯流關系曲線，匯流比越大，峰現時間差越穩定，匯流比達5以上的32場洪水場次的峰現時間差均小于或等于2 h，匯流比低于5的18場洪水場次的峰現時間差不穩定，處于（-3～4）h之間。

3.5 方案評定

根據《水文情報預報規范》,在調試參數時，擬合精度以《水文情報規范》GBT 22482-2008規定的兩種目標函數表達，即確定性系數準則和合格率準則。茅坪站洪水頂托構建方案的預報等級見表6。

表6 茅坪站頂托洪水預報方案等級評定表

由上述參數率定結果可知，洪水過程擬合效果較好，水量平衡，洪水頂托系數符合茅坪站洪水交匯區的洪水特性，方案評定為乙級，可用于預報作業。

4 結論

邵水茅坪站受資水頂托和兩者流域面積差異影響，邵水洪水在總流量占比較小，水位流量關系復雜，因此在實際預報方案編制過程中，經驗性方法居多。此次構建的茅坪站洪水頂托方案具有一定預報能力。

1）資水復峰、兩河洪水錯峰影響兩站的洪峰水位差和峰現時間差，邵水退水后，資水再次出現復峰時，對茅坪站水位的影響復雜，需進一步研究。

2）本文對洪水頂托影響的探索研究，為未來預報交匯河道洪水頂托提供了參考依據，但未能代表所有發生洪水頂托影響的可能性，建議對交匯處河段進行實時水文監測及分析，待數據完善后進行優化分析。