王艷麗

(河北省滄州水文水資源勘測(cè)局，河北 滄州 061000)

時(shí)變參數(shù)法在滹沱河洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

王艷麗

(河北省滄州水文水資源勘測(cè)局，河北 滄州 061000)

[摘要]滹沱河多年干涸、下墊面變化大，并且自獻(xiàn)縣樞紐建成后，很少發(fā)生較大洪水，實(shí)測(cè)大水資料缺少，給預(yù)報(bào)帶來(lái)很大困難。利用上下游相關(guān)法或者單一河道洪水演算已無(wú)法達(dá)到預(yù)報(bào)要求。對(duì)此，在滹沱河預(yù)報(bào)中提出了霍頓飽和下滲與馬斯京根分段連續(xù)演算方法相結(jié)合的河道洪水演算方法來(lái)解決預(yù)報(bào)精度問題。當(dāng)發(fā)生大洪水時(shí)，泛區(qū)滯洪，將作為水庫(kù)調(diào)節(jié)來(lái)水，獻(xiàn)縣樞紐洪水預(yù)報(bào)同時(shí)還要進(jìn)行調(diào)洪演算，以預(yù)報(bào)泛區(qū)水位及樞紐出流情況。洪水預(yù)報(bào)分析資料是基于96.8洪水的實(shí)測(cè)及考證水文資料。該方法利用當(dāng)前水文數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正滾動(dòng)預(yù)報(bào)，解決了滄州上游黃璧莊水庫(kù)泄洪至滹沱河洪水預(yù)報(bào)的問題。

[關(guān)鍵詞]時(shí)變參數(shù)；河道下滲；洪水演算；調(diào)洪計(jì)算

滹沱河屬海河流域子牙河水系，發(fā)源于山西省繁峙縣五臺(tái)山里麓，至河北省獻(xiàn)縣樞紐與滏陽(yáng)河匯合后稱子牙河，河道全長(zhǎng)685 km。上游建有崗南、黃壁莊兩座大型水庫(kù)，總庫(kù)容27.81億 m3,基本上控制了山區(qū)洪水。兩大水庫(kù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇。黃壁莊以下滹沱河設(shè)計(jì)行洪能力3 300 m3/s，相當(dāng)于50 a一遇，獻(xiàn)縣泛區(qū)深槽泄洪能力400 m3/s。1967年開挖了滏陽(yáng)新河、子牙新河，建立了子牙河節(jié)制閘、子牙新河泄洪閘及行洪灘地溢流堰等工程，獻(xiàn)縣樞紐設(shè)計(jì)行洪能力達(dá)到6 700 m3/s，主要接納上游滏陽(yáng)河、滏陽(yáng)新河及滹沱河的來(lái)水，該三河來(lái)水至獻(xiàn)縣閘前匯合，經(jīng)子牙河3孔節(jié)制閘、子牙新河6孔泄洪閘及子牙新河獻(xiàn)縣溢流堰(行洪灘地)下泄入海。滹沱河流域自20世紀(jì)70年代以來(lái)，在自然因素和人類活動(dòng)的交互影響下，地下水位持續(xù)下降，地下水埋深大幅度增加，致使包氣帶變厚；1980年以后，大、中洪水發(fā)生的概率變小、間隔時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)，如1988年滹沱河主槽行洪，饒陽(yáng)小堤決口；1996年滹沱河灘地行洪，饒陽(yáng)南大堤決口，時(shí)間相隔了8 a，1996年至今快20 a了沒有發(fā)生較大洪水，且獻(xiàn)縣泛區(qū)滯洪僅96.8洪水一次，資料嚴(yán)重匱乏；由于河道多年不過水，且每次過水的初始條件(河道下滲率、糙率等)及量級(jí)不同，因此，使用現(xiàn)有資料對(duì)河道演算參數(shù)進(jìn)行率定，以對(duì)未來(lái)洪水進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)成為一個(gè)大難題。隨著防汛要求的提高及計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛使用，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集的準(zhǔn)確及時(shí)，為時(shí)變參數(shù)法在滹沱河洪水預(yù)報(bào)應(yīng)用中提供了前提。該方法利用當(dāng)前水文數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正滾動(dòng)預(yù)報(bào)，解決了滄州上游黃璧莊水庫(kù)泄洪至滹沱河洪水預(yù)報(bào)的問題。

1時(shí)變參數(shù)河道洪水演算的原理和方法

1.1預(yù)報(bào)思路

以96.8洪水為基礎(chǔ)，根據(jù)黃壁莊出流過程，扣除河道沿程損失，用馬斯京根法演算至下游斷面(北中山，姚莊(泛區(qū)入口))，根據(jù)姚莊(泛區(qū)入口)出流量和獻(xiàn)縣泛區(qū)水位容積曲線進(jìn)行水庫(kù)調(diào)洪演算，預(yù)報(bào)出獻(xiàn)縣樞紐各項(xiàng)參數(shù)。

1.2基本原理

時(shí)變參數(shù)法是指時(shí)變參數(shù)河道洪水演算的方法。它根據(jù)北方干旱半干旱地區(qū)平原河道行洪的特點(diǎn)，建立以霍頓下滲曲線方法考慮河道滲漏等沿程損失的馬斯京根河道洪水演算模型，利用當(dāng)前的水文報(bào)汛數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，以提高預(yù)報(bào)精度。

采用霍頓下滲曲線對(duì)河道滲漏水量進(jìn)行扣損計(jì)算，

f(t)=fc+(f0-fc)e-kt

(1)

式中：f為下滲率，mm/h；fc為穩(wěn)定下滲率，mm/h；f0為初始下滲率，mm/h；k為與擴(kuò)散率有關(guān)的系數(shù)，與河床的物理特性有關(guān)；t為時(shí)間，h。

應(yīng)用中，根據(jù)初始給定的f0、fc、k參數(shù)，按霍頓公式求出t時(shí)刻的下滲率，再由式(1)求出時(shí)段下滲量

Ft=B×L×ft×Δt

(2)

式中：Ft為時(shí)段下滲量，mm；B為計(jì)算河道的平均河寬，m；L為預(yù)報(bào)河段的河長(zhǎng)，m；ft為t時(shí)刻的下滲率，mm/h；為計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)，h。

接著計(jì)算時(shí)段入流量

Wt=PtBL+(Qt-1+Qt)Δt

(3)

式中：Wt為時(shí)段內(nèi)上斷面的入水量，m3；Pt為時(shí)段內(nèi)的降水深，mm；Qt-1、Qt為t-1、t時(shí)刻上斷面的流量，mm/h；B為計(jì)算河道的平均河寬，m；L為預(yù)報(bào)河段的河長(zhǎng)，m ；為計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)，h。

計(jì)算過程中當(dāng)時(shí)段入流量小于時(shí)段下滲量，則入流量全部消耗于河道下滲，下斷面出流為0；如果時(shí)段入流量大于時(shí)段入滲量，則將入流量先扣除下滲量后再進(jìn)行河道流量演算。

最后，采用馬斯京根法進(jìn)行河道流量演算

Qt=C0It+C1It-1+C2Qt-1

(4)

式中：It、It-1為t和t-1時(shí)刻上斷面的流量；Qt、Qt-1為t和t-1時(shí)刻下斷面的流量；C0、C1、C2為流量系數(shù)，與k、x值有關(guān)；k為洪水流量在河段里的傳播時(shí)間，k=dW/dQ；x為馬斯京根參數(shù)，與洪水波的波速、擴(kuò)散系數(shù)及河段長(zhǎng)有關(guān)，其中：

(5)

且C0+C1+C2=1.0，若確定了參數(shù)k、x和計(jì)算時(shí)段后，可求得C0、C1、C2，再按式(4)逐時(shí)段計(jì)算，即可求得各時(shí)段下斷面的流量過程。

2河道預(yù)報(bào)成果

2.1選擇預(yù)報(bào)河段及資料情況

以96.8洪水資料為基礎(chǔ)，根據(jù)黃壁莊出游過程，扣除河道沿程損失，用馬斯京根法演算至下流斷面(北中山，姚莊(泛區(qū)入口))，根據(jù)姚莊(泛區(qū)入口)出流量和獻(xiàn)縣泛區(qū)水位容積曲線進(jìn)行水庫(kù)調(diào)洪演算，預(yù)報(bào)出獻(xiàn)縣樞紐各項(xiàng)參數(shù)。

2.2河道洪水的演算成果

以中國(guó)水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)為平臺(tái)，分兩段(黃壁莊至北中山，北中山至姚莊)進(jìn)行河道演算，參數(shù)率定和流量預(yù)報(bào)。

(1)由96.8洪水黃壁莊水庫(kù)逐時(shí)出流過程，推求北中山站逐時(shí)洪水過程。

參數(shù)定義：

x：馬斯京根參數(shù)，反映河道槽蓄能力，河道越平，槽蓄變化越小，取值越小。范圍0.01～0.50 之間。

KK ：演算時(shí)段長(zhǎng)度

MP：演算河道分段數(shù)

f0： 初始下滲率 mm/h

fc：穩(wěn)定下滲率 mm/h

fk：反映土壤物理性質(zhì)，范圍0-1

L：河長(zhǎng) 單位km

W：平均水面寬 單位：m

率定成果：

x=0.029，KK=1，MP=15，f0=34.4，fc=1.7，fk=0.039，L=110.5，W=3200

根據(jù)率定成果參數(shù)，由黃壁莊出流過程推求出北中山出流過程，并與北中山實(shí)測(cè)流量進(jìn)行比較，成果參見圖1、和表1。

圖1　96.8洪水北中山預(yù)報(bào)成果與實(shí)測(cè)過程對(duì)照?qǐng)D

黃壁莊推流北中山洪峰時(shí)間洪峰流量洪峰流量誤差整體擬合度北中山實(shí)測(cè)1996.8.614:003500北中山預(yù)報(bào)1996.8.615:0035301%96%

從表1和圖1可看出，根據(jù)黃壁莊預(yù)報(bào)的北中山出流過程洪峰時(shí)間比實(shí)測(cè)晚約1 h，洪峰流量比實(shí)測(cè)大30 m3/s,誤差0.87%，預(yù)報(bào)的整個(gè)出流過程與北中山實(shí)測(cè)流量過程擬合度96%，預(yù)報(bào)成果良好。

(2)由96.8洪水北中山站逐時(shí)洪水過程，推求姚莊出流過程。

率定成果：

X=0.020，KK=1，MP=18，f0=17.0，fc=1.7，fk=0.039，L=70，W=2 500

根據(jù)率定成果參數(shù)，由北中山出流過程推求姚莊出流過程，并與姚莊北中山實(shí)測(cè)流量進(jìn)行比較，成果參見圖2、和表2。

如上所示，根據(jù)北中山預(yù)報(bào)的姚莊出流過程洪峰時(shí)間比實(shí)測(cè)晚約2 h，洪峰流量比實(shí)測(cè)小53 m3/s,誤差2%，預(yù)報(bào)的整個(gè)出流過程與北中山實(shí)測(cè)流量過程擬合度93%，預(yù)報(bào)成果良好。

2.3預(yù)報(bào)應(yīng)用

借助于中國(guó)洪水預(yù)報(bào)軟件平臺(tái)，根據(jù)96.8洪水的實(shí)測(cè)上、下斷面流量資料率定出一套參數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，一旦該預(yù)報(bào)河道上游來(lái)水，先用這套率定好的參數(shù)，可預(yù)報(bào)出下斷面的流量，再根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，滾動(dòng)預(yù)報(bào)。

圖2　96.8洪水姚莊預(yù)報(bào)成果與實(shí)測(cè)過程對(duì)照?qǐng)D

北中山推流姚莊洪峰時(shí)間洪峰流量洪峰流量誤差整體擬合度姚莊實(shí)測(cè)1996.8.78:403298姚莊預(yù)報(bào)1996.8.711:0032452%93%

3調(diào)洪計(jì)算原理與方法

3.1基本原理

調(diào)演計(jì)算基本原理是水庫(kù)水量平衡方程。在時(shí)段Δt內(nèi)，入庫(kù)流量、出庫(kù)流量和水庫(kù)蓄水量之間變化的關(guān)系。當(dāng)演算時(shí)段較短，以上公式忽略蒸發(fā)滲漏及庫(kù)區(qū)內(nèi)降雨情況，公式如下：

Q均⊿t-q均△t=⊿V

(6)

式中：Q均為時(shí)段內(nèi)入流均值；q均為時(shí)段內(nèi)出流均值；⊿V為時(shí)段內(nèi)水庫(kù)蓄量的變化。

將(6)式改寫為：V2/⊿t+q2/2 =(V1/⊿t+q1/2)+Q均-q1

(7)

式中1、2為時(shí)段始、末值。

由于V和q都是H的函數(shù)，因此由水庫(kù)的庫(kù)容曲線V=f(H)及出流曲線q=f(H)，可推求出

V/⊿t+q/2= f(H)，即為圖解法計(jì)算公式。

圖3　獻(xiàn)縣泛區(qū)水位～蓄水量關(guān)系曲線

3.2演算方法

利用圖解法對(duì)獻(xiàn)縣泛區(qū)進(jìn)行調(diào)洪演算。根據(jù)原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)繪制的調(diào)洪工作曲線，查得數(shù)據(jù)后演算結(jié)果與96.8洪水實(shí)測(cè)相差太大，根本不能應(yīng)用。圖3是泛區(qū)水位蓄量曲線，圖4是根據(jù)96.8洪水實(shí)測(cè)過程(⊿t=3小時(shí))，繪制調(diào)洪工作曲線作為今后調(diào)洪演所使用成果圖。當(dāng)上游發(fā)生大洪水，獻(xiàn)縣泛區(qū)將會(huì)啟用時(shí)，利用前面率定好的參數(shù)預(yù)報(bào)出泛區(qū)入口姚莊站流量，再根據(jù)預(yù)報(bào)入流過程，利用圖3進(jìn)行調(diào)洪演算，從而得到泛區(qū)最高水位、時(shí)間、泛區(qū)出口最大流量及時(shí)間，并根據(jù)泛區(qū)淹沒曲線(圖5)，預(yù)測(cè)出泛區(qū)淹沒面積，為泛區(qū)制定可行性撤離方案提供技術(shù)支持。

圖4　根據(jù)獻(xiàn)縣96.8實(shí)測(cè)繪制的調(diào)洪工作曲線(⊿t=3小時(shí))

圖5　獻(xiàn)縣泛區(qū)水位～淹沒面積關(guān)系曲線

4結(jié)語(yǔ)

(1)帶滲漏參數(shù)河道洪水演算方法將馬斯京根河道演算和霍頓下滲理論有機(jī)的組合在一起，理論可靠，方法可行；適用面廣，預(yù)報(bào)精度高；適用于資料少，常年不過水的北方河流。

(2)方法以中國(guó)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)為平臺(tái)，需要河道斷面資料較少，對(duì)于具體的河道，河長(zhǎng)、河寬資料比較穩(wěn)定。有斷面資料的河道可通過已有資料得到斷面參數(shù)，無(wú)斷面資料的河道可通過Google Earth測(cè)量得到，方法簡(jiǎn)單可行。

(3)以96.8洪水為基礎(chǔ)，通過對(duì)黃壁莊至獻(xiàn)縣段的各項(xiàng)參數(shù)率定，得到大水情況下沿程河道的預(yù)報(bào)參數(shù)，可供今后大水情況預(yù)報(bào)方案使用。

(4)原有獻(xiàn)縣泛區(qū)調(diào)洪曲線已不能適用，今后泛區(qū)預(yù)報(bào)應(yīng)參照根據(jù)96.8洪水繪制的調(diào)洪曲線進(jìn)行預(yù)報(bào)。

(5)由于96.8洪水期間，衡水故城段發(fā)生決口，洪水并未入獻(xiàn)縣泛區(qū)，且決口處無(wú)相關(guān)資料確定決口洪水過程，由于缺少資料，因此未對(duì)泛區(qū)調(diào)洪情況進(jìn)行洪水演算率定。

(6)因本文主要針對(duì)滹沱河來(lái)水情況進(jìn)行預(yù)報(bào)的分析，因此未提及滏陽(yáng)新河及滏陽(yáng)河。實(shí)際工作中，若針對(duì)獻(xiàn)縣泛區(qū)進(jìn)行預(yù)報(bào)，則就考慮到與此兩河道的洪水疊加問題。

參考文獻(xiàn)

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The application of time-varying parameters in the Hutuo River in flood forecast

WANG Yan-li

(Cangzhou hydrology and Water Resources Survey Bureau, Cangzhou，061000 Hebei)

Abstract:Hutuo River dried up for many years, the change of the underlying surface and since after the completion of the Xianxian hub rarely occurs and larger floods, lack of observed flood data and to forecast brought great difficulties. The use of the upper and lower reaches of the correlation method or a single channel flood routing has been unable to meet the requirements of the forecast. In this regard, in the Hutuo River forecast in the saturated Horton infiltration and Muskingum piecewise continuous calculation method combining the flood routing method to solve the problem of the precision of prediction. When the flood, flood detention basin, as a reservoir regulating runoff, Xianxian hub flood forecasting and also carry out the flood regulating calculation, to forecast the flood water level and hub out flow. Flood forecast and analysis data are based on the actual data of the 96.8 flood and the hydrological data. The method using the hydrological data of parameters for real-time correction of rolling forecast, to solve the problem of Cangzhou upstream reservoirs in the Yellow Bizhuang discharge to the Tuo River flood forecasting.

Key words:Time-arying parameter；river seepage；flood routing and flood calculation

[收稿日期]2016-01-08

[作者簡(jiǎn)介]王艷麗(1982-)，女，河北滄州人，工程師，主要從事洪水預(yù)報(bào)工作。

[中圖分類號(hào)]P338+.6

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)03-0139-03