博爾塔拉精河山口水文站洪水預報方案探析

張 慶

（新疆博爾塔拉水文勘測局,新疆 博爾塔拉 833400）

1 概況

精河發源于天山山脈婆羅科努山北坡,由南向北最終注入艾比湖。上游有兩條支流,左支流為冬圖勁河,右支流為烏圖勁河,兩支流在精河山口水文站上游約8.0 km 處匯合。精河全長114 km,精河山口水文站基本斷面以上集水面積1419 km2,河網密度為0.091,坡降25‰～8.3‰[1]。精河流域屬于大陸性暖溫帶干旱氣候。氣候干燥、少雨、多風沙。年極端最高氣溫41.0℃,多年平均降水量為99.7 mm。精河上游共有冰川 129 條,冰川面積96.20 km2,冰川總儲量54.598×108m3。在連續高溫的天氣情況下,若再遭遇暴雨,可形成大洪水。

精河山口水文站為控制站,屬國家級重要水文站和中央報汛站,設于1956 年4 月,現測驗斷面以上集水面積1419 km2,河長114 km,測站高程618.321 m[2]。該站歷年最高水位615.30 m,出現于2016 年9 月25 日,對應流量為390 m3/s,排位第一,多年平均流量14.9 m3/s,多年平均徑流量4.704 億m3,最大年徑流量6.050 億m3,出現于1988 年；最小年徑流量3.401 億m3,出現于2013 年。

2 水利工程及防洪對象

2.1 精河下天吉水庫

精河山口水文站上游700 m 有1998 年建設的精河下天吉水庫。該水庫總庫容1438 萬m3,調洪庫容1020 m3,是精河流域最大的水利工程。泄洪洞設計洪水位最大泄量345.7 m3/s,校核洪水位最大泄量363.7 m3/s；溢洪道設計洪水位最大泄量214.4 m3/s,校核洪水位最大泄量297.67 m3/s。水庫度汛的汛限水位為651.70 m,水量200 萬m3以內,預存防洪庫容223 萬m3,加上泄洪能力（蓄洪區間內平均泄洪246.57 m3/s）,保守估計可抵御持續8 小時338 m3/s 洪水的能力。

2.2 下游重要防洪設施

水庫下游27 km 沿河村隊有河西村、夾巴溝、新莊村、蘑菇灘等村隊,沿河兩岸的土地、房屋常遭洪水災害,水庫下游8 km 處有精－伊－霍鐵路跨河大橋通過,26 km 處奎－賽高等級公路精河段大橋,27 km 處有跨河國道312 線精河段大橋、右岸精河生態園等重要交通干線及景觀設施。

3 洪水成因與類型

精河洪水幾乎全部形成于山區。由于集水區的高程較低,冰川和高山永久性積雪覆蓋面積較小,均不足流域面積的4%,因此,河流的洪水類型是形成于中高山區的冰雪融水型洪水、形成于中低山帶的暴雨型洪水和雨雪混合型洪水。

3.1 冰雪融水型洪水

春、夏季中低山融雪型洪水,洪峰不高洪量較大,一般可持續3～7 天。有明顯的日變化,峰形平緩,前后日峰形相似,峰谷相應[3]。5 月～6 月,日最大洪峰一般出現在夜間2 時～4 時。隨著氣溫的升高,較低海拔高度的積雪融化,6 月～8 月,主消融區高溫上升,日最大洪峰一般出現在4 時～6 時。

3.2 暴雨型洪水

精河流域年降水量的41.1%集中于夏季。河流為山溪性河流,流程短,河流出山口以上河段,地形陡峭,河槽下切深,兩側山地坡度大,產匯流極為迅速。暴雨往往形成年最大洪峰流量,給河流下游造成洪水威脅。如精河山口水文站1998 年7 月12 日的一次暴雨洪水。該次洪水前期降水7.8 mm (山區可能達暴雨)形成當年該站最大洪峰流量258 m3/s,是當年平均流量的13.9 倍。歷時1 小時,一次洪量僅78×104m3,只是當年徑流量的0.13%。

3.3 雨雪混合型洪水

精河發生此類洪水,其成因為5 月～8 月山區冰雪融化,同時又遭遇中低山暴雨所致。此類洪水特點是：較暴雨洪水峰形胖、峰高、歷時長、洪量大,漲水快落水慢。例如精河山口水文站1999 年7 月17 日至23 日的一次洪水過程,該次洪水起始日平均洪峰流量起為50.8 m3/s,最大日平均流量為105 m3/s。

4 預報模型與方法選擇

4.1 資料收集

精河山口水文站為精河中下游出山口控制站,有1956 年～2021 年連續66 年資料,資料可靠、系列長。汛期水位用自記水位計觀測,流量用流速儀一點法施測,洪水期無法用流速儀法施測時用浮標法或比降面積法施測,水位流量關系穩定。該站洪水系列未受人類活動影響,基本斷面變遷在550 m范圍內,區間無支流匯入或引水,系列具有很好的一致性和連續性。洪峰流量均值穩定在110 m3/s～120 m3/s 之間。

4.2 選取合適的預報因子

精河上僅有山口水文站一處水文站,本方案為單河單站的洪水預報方案。精河山口水文站建站以來年最大洪水成因以及年內主汛期逐月分布頻次統計成果見表1。精河洪水多發生在6 月、7 月,融雪型洪水發生的頻次較少,洪水量級也較小。暴雨洪水發生的頻次高,洪水的量級也大。

表1 精河山口水文站歷年最大洪水成因及年內分布表

4.3 預報方案的建立

精河山口水文站洪水預報對象單一,為水文站最大洪峰流量；影響因子為最大洪峰流量前一日河道平均流量和預報降水量。精河山口水文站年最大洪水預報采用平穩時間序列法和年徑流相關法進行預報。預報結果考慮前一日河道平均流量和預報降水量。

4.3.1 平穩時間序列法預報

經過大量實測資料歸納分析,年最大洪水本身具有一定的規律性。利用已監測到的年最大洪峰流量的系列,尋找自身規律,得到預報年份的最大洪峰流量預報值。精河山口水文站1956 年～2021 年年最大洪峰流量曲線圖見圖1。

圖1 精河山口水文站歷年年最大洪峰流量過程線圖

以精河山口水文站1956 年～2019 年年最大洪峰流量建立序列,采用平穩時間序列法預報2020 年最大洪峰流量；以精河山口水文站1956 年～2020 年年最大洪峰流量建立序列,采用平穩時間序列法預報2021 年最大洪峰流量。

（1）2020 年預報

資料統計年限為1957 年～2019 年,自回歸方程為：

式中：Y（t）為預報對象 Y,Y 即精河站年最大流量；Y（t-i）為預報因子；JZ=118.6651（Y 之均值）；Bi為自回歸系數。

精河站年最大流量預報因子值：2019 年63.9,2018 年71.8,2017 年75.4,2016 年,179,2015 年135,2014 年36.4。

經預測,2020 年精河站年最大流量預報結果為：108m3/s。

（2）2021 年預報結果

同理,采用公式（1）預報2021 年最大洪峰流量,精河站年最大流量預報因子值：2020 年51.6,2019 年63.9,2018 年71.8,2017 年75.4,2016 年179,2015 年135。

經預測,2021年精河站年最大流量預報結果為82.0 m3/s。

4.3.2 年徑流與年最大洪峰流量相關分析預報方案

根據精河山口水文站年徑流量與年最大洪峰流量分布特點,做兩特征值的相關關系,見圖2～圖4,利用圖標里的趨勢預測/回歸分析類型,建立一元線性回歸方程預報方案,以年徑流量預報年最大洪峰流量,把山口水文站64 年年最大洪峰流量資料按大小分三段,分別建立回歸方程如下:

圖2 山口水文站年最大洪峰流量（高段）與年徑流量相關圖

式中：A 為常數；B 為回歸系數；C 為隨機誤差,服從正態分布,受降水、氣溫等要素影響。該式還有一隱性指標R2,為相關系數,描述線性回歸方程好壞。

高段回歸方程為：Y=23.848 X+70.435

中段回歸方程為：Y=8.2893 X+64.291

低段回歸方程為：Y=14.595 X+5.591

預報結果：用2020 年年初預測的年徑流量5.000 億m3作為預報因子預測2020 年的年最大洪峰流量為78.5 m3/s,用2021 年年初預測的年徑流量4.800 億m3作為預報因子預測2021 年的年最大洪峰流量為75.6 m3/s。

圖4 山口水文站年最大洪峰流量（低段）與年徑流量相關圖

4.4 檢驗預報模型

4.4.1 預報結果統計

利用山口水文站徑流1957 年～2019 年系列實測資料,采用該法對年最大洪峰流量進行預測預報,分別預測2020 年和2021 年年最大洪峰流量。以預測年最大洪峰流量與實測年最大洪峰流量進行對比確定預測誤差。預報成果見表2。

表2 精河山口站年最大洪峰流量預報誤差統計表

4.4.2 預報結果評定

據《水文情報預報規范》（GB/T 22482-2008）洪峰預報許可誤差：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%,則以該值作為許可誤差的規定,平穩時間序列法預報結果不合格,年徑流與年最大流量相關分析2020 年不合格,2021 年合格。一次預報的誤差小于許可誤差時,為合格預報。合格預報次數與預報總次數之比的百分數為合格率,表示多次預報總體的精度水平。通過檢驗,該預報模型合格率僅25%。該預報模型不能用于作業預報,僅可用于年最大洪峰流量的估報。

5 結語

洪水預報方案建立是一個影響因素較多的復雜過程。通過分析探討,兩種洪水預報方案在預報2020 年最大洪水時均不合格。在預報2021 年最大洪水時,年徑流與年最大洪水相關分析預報方案預報合格,說明此種方法可以估報精河山口水文站洪峰流量,可為該站進一步探索洪水預報精度提供借鑒。