馬新雙，何 平

北運河暴雨洪水計算探討

馬新雙1，何 平2

(1.河北省保定水文水資源勘測局，河北 保定 070051；2.河北省廊坊水文水資源勘測局，河北 廊坊 065000)

受人類活動的影響，北運河流域下墊面條件發(fā)生了較大變化，造成流域產(chǎn)匯流規(guī)律發(fā)生一定程度改變，從而大大增加了該地區(qū)暴雨洪水的計算難度。通過多年的實踐表明，在暴雨洪水計算過程中，根據(jù)流域?qū)嶋H情況，充分考慮水利工程運用等各方面的條件，選擇適當(dāng)?shù)挠嬎惴椒?，可以大大提高暴雨洪水的計算精度?/p>

徑流深；超滲產(chǎn)流；蓄滿產(chǎn)流；洪水總量

1 流域概況

北運河通州北關(guān)閘至土門樓站河長52 km，其中通州北關(guān)閘至榆林莊27 km，榆林莊至土門樓25 km。區(qū)間入流主要有涼水河榆林莊入北運河，鳳港減河王家擺入北運河，另有牛牧屯引潮白河入北運河(汛期一般情況關(guān)閉)。通州至土門樓區(qū)間流域面積1105 km2，其中通惠河258 km2、涼水河624 km2，鳳港減河223 km2。通州至土門樓區(qū)間節(jié)制閘較多，其中有通州北關(guān)攔河節(jié)制閘、榆林莊閘、楊洼閘、鳳港減河軍屯閘，97年又新建一座曹莊橡皮壩。

2 暴雨洪水計算理論依據(jù)

北運河上游地區(qū)產(chǎn)流的計算，過去基本是應(yīng)用經(jīng)驗暴雨徑流深，以降雨和前期雨量為主參數(shù)。有的考慮暴雨中心，暴雨歷時等因素，以降雨、前期影響雨量、暴雨中心位置、暴雨歷時各參數(shù)用試錯法繪制相關(guān)圖，后來一些地區(qū)應(yīng)用蓄滿產(chǎn)流的方法代替經(jīng)驗相關(guān)圖法。在北運河水系，以蓄滿產(chǎn)流的方法，一直沒有理想的結(jié)果，加上人為因素的影響，產(chǎn)流計算精度不太理想。

多年的洪水預(yù)測實踐證明，河道洪水預(yù)報除了受水利工程人為的影響以外，流域下墊面發(fā)生了很大變化，產(chǎn)流條件和產(chǎn)流方式發(fā)生了很大改變，需要根據(jù)具體情況，摸清洪水規(guī)律，制定相應(yīng)的計算方法。

在進行暴雨徑流預(yù)測計算時，首先要判定產(chǎn)流方式。是超滲產(chǎn)流，還是蓄滿產(chǎn)流，或是既有超滲產(chǎn)流又有蓄滿產(chǎn)流。一般情況下，地下水埋深在0.6 m以內(nèi)的地區(qū)，基本上是蓄滿產(chǎn)流區(qū)，按蓄滿產(chǎn)流的計算方法計算。北運河下游平原地區(qū)，地下水埋深一般在10 m以上，汛期洪水一般為超滲產(chǎn)流，應(yīng)按超滲產(chǎn)流方法計算。市區(qū)由于路面硬化率較高，大都為超滲產(chǎn)流，可按超滲產(chǎn)流方法計算。中部地區(qū)的產(chǎn)流方式大部分是由超滲產(chǎn)流逐漸向蓄滿產(chǎn)流轉(zhuǎn)化。在洪水預(yù)測的工作中，每次洪水過后，要盡快分析洪水的穩(wěn)定入滲率是多少，一般是逐漸變小。要及時準(zhǔn)確掌握穩(wěn)定入滲率變小的動向，當(dāng)穩(wěn)定入滲率接近于0時，說明產(chǎn)流方式轉(zhuǎn)化為蓄滿產(chǎn)流，要按蓄滿產(chǎn)流方法計算。一般情況，這個轉(zhuǎn)化一般是先局部后全部，發(fā)生局部蓄滿，要分別用兩種方法計算。此外，在人為因素影響較大的地區(qū)要進行修正計算，河道蓄水的要加上蓄水量。

3 產(chǎn)流計算

3.1 超滲產(chǎn)流計算方法

北運河水系，暴雨歷時短、強度大、地面分布不均勻。中小洪水的對應(yīng)暴雨強度有時每小時達(dá)50 mm，暴雨歷時少則1～2 h，多者不過5～6 h。大洪水的對應(yīng)暴雨強度有的多達(dá)每小時100 mm，地面分布很不均勻，暴雨中心的雨量往往比最小雨量多2～3倍，因此局部產(chǎn)流多有發(fā)生。

北運河水系地面情況不盡相同，產(chǎn)流開始時間也是各不相同，受最大初滲不均勻和穩(wěn)定入滲率不均勻的影響，不同區(qū)域相同的流域面積產(chǎn)流量也不同。

要熟悉以上這些情況，在產(chǎn)流計算時，超滲產(chǎn)流計算必須以單站計算的方法進行，將各站以自己的具體特點計算的單站凈雨深乘以單站代表面積為單站洪水總量，將產(chǎn)流的各站洪水總量相累積為流域洪水總量。

超滲產(chǎn)流方式影響徑流量的主要因素有降雨量、前期影響雨量、最大初滲，穩(wěn)定入滲率和歷時。這些參數(shù)的計算精度直接影響洪水總量的計算結(jié)果。

1)降雨量P

一般取早8點以后的實測隆雨量，降雨接近結(jié)束的時候發(fā)生的小于穩(wěn)定入滲率的雨量可以不參加計算。

2)前期影響雨量Pa

計算公式為：

Pac+1=KP1+k2Pt-1+k2Pt-2+…。

(1)

(2)

式中：Pa為前期影響雨量(以最大初滲控制)；K為土壤含水量日折減系數(shù)；Em為流域陸面蒸發(fā)能力；Im為流域最大初損(滲)

流域最大初損(滲)值，一般由水文資料中直接分析來確定。選擇前期影響雨量很小，流域出口降雨較大并早產(chǎn)流匯流到流域出口，產(chǎn)流量很少的資料。用下式計算確定。

Im=P+ Pa-R-f·t-E

(3)

式中：F為穩(wěn)定下滲率；F為穩(wěn)定下滲歷時；R為徑流深；E為蒸發(fā)量

注：P和Pa應(yīng)用出口站資料。

嚴(yán)格的講，最大初滲不是固定不變的，要分析多次資料，求出各種情況的Im值，尋求規(guī)律，不同情況用不同的Im。往往當(dāng)Pa和R接近于0時的Im，為最大初損(滲)值。

北運河水系陸面蒸發(fā)量，正常年日最大蒸發(fā)在9～12 mm左右。

3)穩(wěn)定入滲率和穩(wěn)滲歷時

一般的講，穩(wěn)定入滲是暴雨滿足初滲形成徑流后的下滲。初滲值為出口站洪水起漲時對應(yīng)的8時以后的降雨總量(mm)。往往在洪水過程線上，開始有一個小的起動，這起動是流域降雨形成的，代表河槽和水溝的濕潤情況形成的徑流，其初滲值為河槽水溝地帶的初滲。而代表地面徑流的初滲，是小起動的后面陡漲的起動時降雨總量。確定初滲后，應(yīng)用下式求穩(wěn)定入滲率。

(4)

式中：t為穩(wěn)滲歷時，由實際資料中求得。

4)單站徑流量的計算

先求單站代表流域面積數(shù)F，一般應(yīng)用泰森多邊形法。

應(yīng)用P+ Pa-Im和穩(wěn)定入滲歷時，穩(wěn)定入滲查單站超滲產(chǎn)流暴雨徑流相關(guān)圖，求出單站徑流深。

單站徑流量W1=R1+f1

(5)

5)流域洪水總量為各單站徑流量相疊加

∑W=W1+W2+W3+…

(6)

3.2 蓄滿產(chǎn)流計算方法

按照蓄滿產(chǎn)流的基本理論，降雨滿足初滲，凈雨等于初滲滿足后的降雨。可用下式求得。

R=P+Pa-Im-E

(7)

式中：R為徑流深(mm)；Pa為前期影響雨量；Im為最大初滲；E為蒸發(fā)量。

受北方地區(qū)降雨量的不均勻性和多局部產(chǎn)流的影響，蓄水分配曲線也不大固定。因此計算時，凡蓄滿產(chǎn)流的站要以單站的實際資料計算單站徑流量，流域徑流量以各站徑流量疊加得之。

3.3 超滲和蓄滿產(chǎn)流同時發(fā)生計算方法

由于北運河水系上中下游植被不同，流域下墊面不同，產(chǎn)流條件不同，產(chǎn)流方式也不同，一場洪水在上、中、下游可能既有超滲產(chǎn)流，也有蓄滿產(chǎn)流，或先超滲產(chǎn)流后蓄滿產(chǎn)流。因此需要按不同產(chǎn)流分別用不同方法計算單站徑流量，各站徑流量相疊加為徑流總量。

4 河道匯流計算

河道匯流計算多用馬司京干法和分段連續(xù)流量演算法。由于河道下墊面的變化及水利工程的影響，計算誤差往往很大。北運河上游，建有葦溝等三個翻板閘，日常為自動使用，具有一定的水頭，自動翻板泄流。小水時不翻板，起到蓄水作用，水泄不下去，只有具備翻板條件時才翻板。翻板造峰和提閘造峰一樣，形成與原洪水峰不同的變形峰。有時早期蓄水還影響洪量。用一般的河道流量演算方法反映不出翻板造峰的規(guī)律。解決此類問題，一般將閘上河道作為蓄水區(qū)考慮，進行調(diào)節(jié)演算計算到水位超過翻板水頭時判斷為翻板，不到翻板水頭則不翻板，下游無水。另外，北運河北關(guān)閘至土門樓閘區(qū)間閘壩林立，經(jīng)常蓄水2 000～3 000萬 m3，遭遇暴雨突提閘門加大洪峰流量，遇到此情況，將分析計算的突提閘門過程線與河道匯流計算過程相疊加為修正計算過程，多年來，計算成果較好。

5 經(jīng)驗洪水計算方法

經(jīng)多年北運河洪水資料分析，推出了一種適合北運河及相近河道洪水計算的新計算方法，即“流量倍比法”。該方法是將上游站一次實測的洪水流量，按設(shè)定的時段(可為1h、3h等)通過倍比計算，轉(zhuǎn)算成每個時段的下游流量，按照洪水傳播時間，計算到達(dá)流域出口水流的流量連接線，按照洪水總量不變的假定，采用面積分配曲線作為流域匯流曲線，即流量采用上游流量乘以倍比，歷時采用上游洪水歷時除以倍比，從而計算出下游的洪水過程線。

“流量倍比法”是將上游斷面實測的洪水流量，按設(shè)定的時段轉(zhuǎn)算成每個時段的流量百分?jǐn)?shù)，采用面積分配曲線作為流域匯流曲線，作為流域出口斷面的洪水預(yù)報過程。這種方法，不僅計算精度較高，并且計算簡單快捷。

以2012年7月21日暴雨洪水實測資料進行分析計算見圖1。

圖1 北運河各站洪水流量過程(2012年7月21日)

6 結(jié)語

受人類活動的影響，海河流域中下游大部分河道下墊面發(fā)生了較大變化，城市化建設(shè)、水利工程建設(shè)等對河道產(chǎn)匯流規(guī)律造成很大影響，按常規(guī)產(chǎn)匯流規(guī)律進行洪水計算或作業(yè)洪水預(yù)報，往往計算精度不會太高。通過多年的實踐表明，在暴雨洪水計算過程中，根據(jù)流域?qū)嶋H情況，充分考慮流域下墊面變化及水利工程運用等各方面的條件，研究制定了快速簡單的經(jīng)驗計算方法，“流量倍比法”，該方法可以大大提高暴雨洪水的計算時效，其它河道洪水計算亦可借鑒。

[1]劉同僧.大清河北支“12.7”特大暴雨洪水流域產(chǎn)匯流參數(shù)變化分析[J].南水北調(diào)與水利科技.2013(1).

[2]劉文具.流域下墊面變化對流域洪水的影響分析[J].地下水.2013(3).

[3]劉同僧.人類活動對洪水計算的影響分析[J].地下水.2013(2).

[4]劉文具，何平.海河流域產(chǎn)匯流參數(shù)變化分析[J].水科學(xué)與工程技術(shù).2014(2).

[5]高延雄.北運河2012年暴雨洪水分析[J].水科學(xué)與工程技術(shù).2014(5).

[6]廊坊市水務(wù)局. 北運河2012年暴雨洪水調(diào)查報告.2013(5).

2017-03-15

馬新雙(1973-)，男，河北保定人，高級工程師，主要從事水文測報工作。

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1004-1184(2017)04-0160-02