丁寨水文站洪水預報方案研究

2023-07-28 09:30:16陳好山

陜西水利 2023年7期

鄒潤，林苗，陳好山

（湖北省恩施州水文水資源勘測局,湖北恩施 445000）

1 流域概況

1.1 自然地理

曲江是唐崖河左岸一級支流,發源于坪壩營鎮落耳巖大洞,經筒車壩、灣田、曲江,在曲江鎮馬鞍山與野貓河匯合,經天星孔氽入溶洞（5 km）后,在斷明峽轎子洞露頭明流2.5 km,至斷明峽注入唐崖河,河長28.3 km,流域面積357 km2,總落差約1042 m,河道坡度4.7‰,河網密度0.1 km/km2,多年平均流量8.5 m3/s。流域內山勢險峻,植被較好,是“鄂西林海”的重要組成部分,兩岸耕地和居民相對較少。流域水系圖見圖1。

圖1 丁寨水文站流域水系站網分布圖

1.2 水文氣象

曲江流域屬亞熱帶季風氣候,峰面雨是降雨的主要特點。由于地形地貌的差異和海拔高度的變化,垂直差異大等山區氣候特征明顯。春季受海洋季風影響,海洋暖濕氣團北進與極地冷氣團交綏,形成梅雨；冬季為西伯利亞氣候控制,冷暖氣團交替,致使流域氣候溫和,雨量豐沛,且雨熱同期。

曲江該流域氣候溫和,四季分明,冬無嚴寒,夏無酷暑,雨量充沛,日照偏少,濕度偏大,風速較小,霧日較多,無霜期長（低山）。流域內多年平均降水量為1313.4 mm,單站最大年降水量1911.0 mm。4 月~9 月為主汛期（降水占年降水的70%左右）,大暴雨多集中在6 月~8 月；1 月~3 月、10 月~12 月為枯季,降水較少。汛期河流洪水陡漲陡落,枯水期河流水位變化平緩。

1.3 水文站網

丁寨站水文站設立于2014年,位于丁寨鄉魚塘坪村,觀測項目有降水、水位、流量等。預報斷面以上河段全長17.0 km,流域面積189 km2。

流域內還設有甲馬池雨量站1 處,設于1956年,實測最大日降水量為206.8 mm,發生在1997年7 月15 日。

1.4 水利工程

丁寨水文站預報斷面上游支流龍王廟河建有龍王廟水庫,水庫集水面積4.45 km2,總庫容20 萬m3,主要功能為生產生活供水及農田灌溉。該水庫集水面積較小,洪水期無調節能力,本次預報方案場次洪水計算不考慮其影響。

預報斷面下游的丁寨電站、段明峽電站以及位于下游右岸支流野貓河水庫及在建龍洞灣水庫,水庫回水均對本預報斷面無影響。

2 水文預報方案編制

結合流域特性分析,丁寨水文站預報方案編制中產流預報采用降雨徑流相關圖法,匯流預報采用單位線法（即API模型）。該流域屬鄂西南山區,屬湖北省第十水文分區,適應南方濕潤地區的蓄滿產流模型。丁寨水文站場次洪水預報水文要素主要包括洪峰流量、洪水總量及洪峰出現時間等水文要素。丁寨水文站流域洪水預報方案依據丁寨水文站實測水文資料,采用API 模式進行洪水水文要素的分析和計算,該預報方案包括流域產流方案和流域匯流方案。

2.1 產流預報

2.1.1 資料引用

丁寨水文站降水、水位均采用遙測系統自動采集與傳輸,每月進行資料整編。該洪水預報方案編制引用了丁寨水文站、甲馬池雨量站2015年~2021年實測降水資料。

流域內僅有丁寨、甲馬池雨量站,可采用算術平均法計算流域平均雨量。用流域退水曲線分割次洪徑流,流域退水曲線采用丁寨水文站洪水退水面無降雨或基本無降雨的大、中、小且比較單一的洪水過程,并根據實際情況按洪峰流量大小綜合,退水曲線見圖2。

采用流域綜合退水曲線分割不屬于本次洪水的徑流后,用面積包圍法計算次洪徑流深。一次降雨所形成的徑流過程確定后,R 的計算公式如下：

式中：R 為深,mm；Qi為流量,m3/s；?t 為計算時段,h；A 為流域面積,km2；3.6 為單位換算系數。

2.1.2 前期影響雨量計算

影響產流的第一因素是降水,而另一個重要的因素是土壤含水量,由于土壤含水量的實測資料缺乏,因此用前期影響雨量代替土壤含水量。

前期影響雨量的計算公式為：

式中：Pa,t為t 日的前期影響雨量,mm；Pa,t-1為上日的前期影響雨量,mm；Pt-1為上日的降雨量,mm；K 為土壤含水量的日消退系數（折減系數）；Rt為產流產生的徑流量,mm。

2.1.3 折減系數K 的計算

由于前期影響雨量（土壤含水量）的消退僅僅消耗于流域的蒸散發,每日土壤蒸發量計算公式為：

所以K=1-Et/Pa,t。當流域的前期影響雨量達到流域土壤最大蓄水量（可供蒸發的水量）時,流域的蒸散發量達到流域的蒸散發能力。

式中：Em為流域蒸散發能力,mm；Wm為流域最大土壤含水量,mm。

流域最大損失量是指歷次洪水中損失的最大值,在數值上等于流域土壤最大蓄水量（蓄水容量）。根據該流域雨洪資料分析,按Im=P-R-Em計算,選取Pa≈0 的場次洪水分析綜合后確定Wm,本流域Im采用60 mm。

2.1.4 流域蒸散發能力的確定

流域蒸散發能力的大小主要決定于氣象條件,蒸散發面的性質,植物的類型及其覆蓋面,由于該流域及鄰近流域無蒸發站,故本方案借用恩施水文站E 601 型蒸發器的實測資料值代替Em。由于Em隨月份的不同,所以K 值也不同,本次分析為簡便起見,根據計算結果并結合本流域特性綜合取K=0.85。

2.1.5 P~R~Pa相關圖

以前期影響雨量Pa作參數,建立丁寨水文站降雨徑流相關圖,見表1、圖3。

序號降雨量/mm前期影響雨量/mm 0 10 20 30 40 50 60 1 0 0 0 0 0 0 0 0 5 20 0.15 0.8 2.0 3.0 5.2 8.5 13.1 9 40 0.9 3.3 6.9 11.0 16.8 23.9 31.8 13 60 6.80 12.1 18.2 26.6 34.8 43.3 51.8 17 80 20.8 29.3 37.8 46.3 54.8 63.3 71.8 21 100 40.8 49.3 57.8 66.3 74.8 83.3 91.8 25 120 60.8 69.3 77.8 86.3 94.8 103 112

2.2 流域匯流預報

流域匯流計算采用瞬時單位線法。流域的匯流是流域上各處的凈雨演變為出口斷面流量的過程,包括坡面匯流和河網匯流。由于坡面匯流時間很短（不單獨分析）,直接用河網單位線代替流域單位線,本方案采用經驗單位線法計算流域匯流過程。

2.2.1 時段凈雨量推求

按各場次洪水的Pa及各時段的累計雨量,由降雨徑流關系計算各時段累計徑流深,相鄰時段相減得出各時段的徑流深。根據時段的徑流深及單位線就可以推求凈峰流量過程。

2.2.2 單位線推求

根據丁寨水文站實測洪水水文要素摘錄資料,用試錯法推求該斷面的單位線,并考慮匯流的非線性影響,按暴雨中心位置確定瞬時單位線（單位時段長取1 小時）,然后利用1小時單位線的累計曲線轉換成30 分鐘單位線,故丁寨水文站斷面的匯流計算可以采用1 小時或30 分鐘單位線進行匯流演算,流域1 小時單位線成果見圖4。

圖4 丁寨水文站斷面1 小時單位線圖

2.3 預報方案的檢驗與評定

該方案合格率的評定按照《水文情報預報規范》（GB/T 22482-2008）標準評定,水文預報制作方法按照《湖北省洪水預報方案匯編技術標準》鄂水文（92）39 號及《長江流域洪水預報方案修編實施方案》編制。

2.3.1 方案的評定標準

徑流深的許可誤差以實測徑流深的20%作為許可誤差。當該值小于3 mm 時,許可誤差取3 mm；當該值大于20 mm時,許可誤差取20 mm。洪峰流量許可誤差以實測洪峰流量的20%作為許可誤差。峰現時間許可誤差：以預報時間到實測洪峰出現時間之時距的30%作為許可誤差,當許可誤差小于3 小時,取3小時。

2.3.2 評定成果及檢驗

根據實測水文資料對丁寨水文站水文預報方案進行評定,見表2。在評定過程中發現一些突出點據。突出點據產生的原因是：一是用算術平均法計算流域平均雨量產生誤差；二是暴雨中心不同導致產生的洪水過程不同；三是連續降雨形成的復式峰與用簡單歸納法統計的降雨徑流關系與單位線所計算的流量過程有一定的誤差。