时变参数法在滹沱河洪水预报中的应用

王艳丽

(河北省沧州水文水资源勘测局，河北 沧州 061000)

时变参数法在滹沱河洪水预报中的应用

王艳丽

(河北省沧州水文水资源勘测局，河北 沧州 061000)

[摘要]滹沱河多年干涸、下垫面变化大，并且自献县枢纽建成后，很少发生较大洪水，实测大水资料缺少，给预报带来很大困难。利用上下游相关法或者单一河道洪水演算已无法达到预报要求。对此，在滹沱河预报中提出了霍顿饱和下渗与马斯京根分段连续演算方法相结合的河道洪水演算方法来解决预报精度问题。当发生大洪水时，泛区滞洪，将作为水库调节来水，献县枢纽洪水预报同时还要进行调洪演算，以预报泛区水位及枢纽出流情况。洪水预报分析资料是基于96.8洪水的实测及考证水文资料。该方法利用当前水文数据对参数进行实时校正滚动预报，解决了沧州上游黄璧庄水库泄洪至滹沱河洪水预报的问题。

[关键词]时变参数；河道下渗；洪水演算；调洪计算

滹沱河属海河流域子牙河水系，发源于山西省繁峙县五台山里麓，至河北省献县枢纽与滏阳河汇合后称子牙河，河道全长685 km。上游建有岗南、黄壁庄两座大型水库，总库容27.81亿 m3,基本上控制了山区洪水。两大水库的设计标准为千年一遇。黄壁庄以下滹沱河设计行洪能力3 300 m3/s，相当于50 a一遇，献县泛区深槽泄洪能力400 m3/s。1967年开挖了滏阳新河、子牙新河，建立了子牙河节制闸、子牙新河泄洪闸及行洪滩地溢流堰等工程，献县枢纽设计行洪能力达到6 700 m3/s，主要接纳上游滏阳河、滏阳新河及滹沱河的来水，该三河来水至献县闸前汇合，经子牙河3孔节制闸、子牙新河6孔泄洪闸及子牙新河献县溢流堰(行洪滩地)下泄入海。滹沱河流域自20世纪70年代以来，在自然因素和人类活动的交互影响下，地下水位持续下降，地下水埋深大幅度增加，致使包气带变厚；1980年以后，大、中洪水发生的概率变小、间隔时间也越来越长，如1988年滹沱河主槽行洪，饶阳小堤决口；1996年滹沱河滩地行洪，饶阳南大堤决口，时间相隔了8 a，1996年至今快20 a了没有发生较大洪水，且献县泛区滞洪仅96.8洪水一次，资料严重匮乏；由于河道多年不过水，且每次过水的初始条件(河道下渗率、糙率等)及量级不同，因此，使用现有资料对河道演算参数进行率定，以对未来洪水进行准确的预报成为一个大难题。随着防汛要求的提高及计算机技术的广泛使用，实时数据收集的准确及时，为时变参数法在滹沱河洪水预报应用中提供了前提。该方法利用当前水文数据对参数进行实时校正滚动预报，解决了沧州上游黄璧庄水库泄洪至滹沱河洪水预报的问题。

1时变参数河道洪水演算的原理和方法

1.1预报思路

以96.8洪水为基础，根据黄壁庄出流过程，扣除河道沿程损失，用马斯京根法演算至下游断面(北中山，姚庄(泛区入口))，根据姚庄(泛区入口)出流量和献县泛区水位容积曲线进行水库调洪演算，预报出献县枢纽各项参数。

1.2基本原理

时变参数法是指时变参数河道洪水演算的方法。它根据北方干旱半干旱地区平原河道行洪的特点，建立以霍顿下渗曲线方法考虑河道渗漏等沿程损失的马斯京根河道洪水演算模型，利用当前的水文报汛数据对模型参数进行实时校正，以提高预报精度。

采用霍顿下渗曲线对河道渗漏水量进行扣损计算，

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

(1)

式中：f为下渗率，mm/h；fc为稳定下渗率，mm/h；f0为初始下渗率，mm/h；k为与扩散率有关的系数，与河床的物理特性有关；t为时间，h。

应用中，根据初始给定的f0、fc、k参数，按霍顿公式求出t时刻的下渗率，再由式(1)求出时段下渗量

Ft=B×L×ft×Δt

(2)

式中：Ft为时段下渗量，mm；B为计算河道的平均河宽，m；L为预报河段的河长，m；ft为t时刻的下渗率，mm/h；为计算时段长，h。

接着计算时段入流量

Wt=PtBL+(Qt-1+Qt)Δt

(3)

式中：Wt为时段内上断面的入水量，m3；Pt为时段内的降水深，mm；Qt-1、Qt为t-1、t时刻上断面的流量，mm/h；B为计算河道的平均河宽，m；L为预报河段的河长，m ；为计算时段长，h。

计算过程中当时段入流量小于时段下渗量，则入流量全部消耗于河道下渗，下断面出流为0；如果时段入流量大于时段入渗量，则将入流量先扣除下渗量后再进行河道流量演算。

最后，采用马斯京根法进行河道流量演算

Qt=C0It+C1It-1+C2Qt-1

(4)

式中：It、It-1为t和t-1时刻上断面的流量；Qt、Qt-1为t和t-1时刻下断面的流量；C0、C1、C2为流量系数，与k、x值有关；k为洪水流量在河段里的传播时间，k=dW/dQ；x为马斯京根参数，与洪水波的波速、扩散系数及河段长有关，其中：

(5)

且C0+C1+C2=1.0，若确定了参数k、x和计算时段后，可求得C0、C1、C2，再按式(4)逐时段计算，即可求得各时段下断面的流量过程。

2河道预报成果

2.1选择预报河段及资料情况

以96.8洪水资料为基础，根据黄壁庄出游过程，扣除河道沿程损失，用马斯京根法演算至下流断面(北中山，姚庄(泛区入口))，根据姚庄(泛区入口)出流量和献县泛区水位容积曲线进行水库调洪演算，预报出献县枢纽各项参数。

2.2河道洪水的演算成果

以中国水文预报系统为平台，分两段(黄壁庄至北中山，北中山至姚庄)进行河道演算，参数率定和流量预报。

(1)由96.8洪水黄壁庄水库逐时出流过程，推求北中山站逐时洪水过程。

参数定义：

x：马斯京根参数，反映河道槽蓄能力，河道越平，槽蓄变化越小，取值越小。范围0.01～0.50 之间。

KK ：演算时段长度

MP：演算河道分段数

f0： 初始下渗率 mm/h

fc：稳定下渗率 mm/h

fk：反映土壤物理性质，范围0-1

L：河长 单位km

W：平均水面宽 单位：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

根据率定成果参数，由黄壁庄出流过程推求出北中山出流过程，并与北中山实测流量进行比较，成果参见图1、和表1。

图1　96.8洪水北中山预报成果与实测过程对照图

黄壁庄推流北中山洪峰时间洪峰流量洪峰流量误差整体拟合度北中山实测1996.8.614:003500北中山预报1996.8.615:0035301%96%

从表1和图1可看出，根据黄壁庄预报的北中山出流过程洪峰时间比实测晚约1 h，洪峰流量比实测大30 m3/s,误差0.87%，预报的整个出流过程与北中山实测流量过程拟合度96%，预报成果良好。

(2)由96.8洪水北中山站逐时洪水过程，推求姚庄出流过程。

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

根据率定成果参数，由北中山出流过程推求姚庄出流过程，并与姚庄北中山实测流量进行比较，成果参见图2、和表2。

如上所示，根据北中山预报的姚庄出流过程洪峰时间比实测晚约2 h，洪峰流量比实测小53 m3/s,误差2%，预报的整个出流过程与北中山实测流量过程拟合度93%，预报成果良好。

2.3预报应用

借助于中国洪水预报软件平台，根据96.8洪水的实测上、下断面流量资料率定出一套参数，在实际应用中，一旦该预报河道上游来水，先用这套率定好的参数，可预报出下断面的流量，再根据实测数据进行实时校正，滚动预报。

图2　96.8洪水姚庄预报成果与实测过程对照图

北中山推流姚庄洪峰时间洪峰流量洪峰流量误差整体拟合度姚庄实测1996.8.78:403298姚庄预报1996.8.711:0032452%93%

3调洪计算原理与方法

3.1基本原理

调演计算基本原理是水库水量平衡方程。在时段Δt内，入库流量、出库流量和水库蓄水量之间变化的关系。当演算时段较短，以上公式忽略蒸发渗漏及库区内降雨情况，公式如下：

Q均⊿t-q均△t=⊿V

(6)

式中：Q均为时段内入流均值；q均为时段内出流均值；⊿V为时段内水库蓄量的变化。

将(6)式改写为：V2/⊿t+q2/2 =(V1/⊿t+q1/2)+Q均-q1

(7)

式中1、2为时段始、末值。

由于V和q都是H的函数，因此由水库的库容曲线V=f(H)及出流曲线q=f(H)，可推求出

V/⊿t+q/2= f(H)，即为图解法计算公式。

图3　献县泛区水位～蓄水量关系曲线

3.2演算方法

利用图解法对献县泛区进行调洪演算。根据原设计标准绘制的调洪工作曲线，查得数据后演算结果与96.8洪水实测相差太大，根本不能应用。图3是泛区水位蓄量曲线，图4是根据96.8洪水实测过程(⊿t=3小时)，绘制调洪工作曲线作为今后调洪演所使用成果图。当上游发生大洪水，献县泛区将会启用时，利用前面率定好的参数预报出泛区入口姚庄站流量，再根据预报入流过程，利用图3进行调洪演算，从而得到泛区最高水位、时间、泛区出口最大流量及时间，并根据泛区淹没曲线(图5)，预测出泛区淹没面积，为泛区制定可行性撤离方案提供技术支持。

图4　根据献县96.8实测绘制的调洪工作曲线(⊿t=3小时)

图5　献县泛区水位～淹没面积关系曲线

4结语

(1)带渗漏参数河道洪水演算方法将马斯京根河道演算和霍顿下渗理论有机的组合在一起，理论可靠，方法可行；适用面广，预报精度高；适用于资料少，常年不过水的北方河流。

(2)方法以中国洪水预报系统为平台，需要河道断面资料较少，对于具体的河道，河长、河宽资料比较稳定。有断面资料的河道可通过已有资料得到断面参数，无断面资料的河道可通过Google Earth测量得到，方法简单可行。

(3)以96.8洪水为基础，通过对黄壁庄至献县段的各项参数率定，得到大水情况下沿程河道的预报参数，可供今后大水情况预报方案使用。

(4)原有献县泛区调洪曲线已不能适用，今后泛区预报应参照根据96.8洪水绘制的调洪曲线进行预报。

(5)由于96.8洪水期间，衡水故城段发生决口，洪水并未入献县泛区，且决口处无相关资料确定决口洪水过程，由于缺少资料，因此未对泛区调洪情况进行洪水演算率定。

(6)因本文主要针对滹沱河来水情况进行预报的分析，因此未提及滏阳新河及滏阳河。实际工作中，若针对献县泛区进行预报，则就考虑到与此两河道的洪水叠加问题。

参考文献

[1]韩家田．谈非线性汇流计算[J]．南水北调与水利科技.1995.(3).

[2]齐春英,刘克岩．沿程渗漏河道的洪水流量演算模型[J]．水文.1997.(6).

[3]包为民．水文预报[M]．北京：中国水利水电出版社.2006.

[4]王春泽,胡军波，等．时变参数法在洪水预报中应用[J]．水文.2010.(5).

[5]冯鹤信．“96·8”洪水中献县泛区(沧州境内) 滞洪运用情况分析[J]．南水北调与水利科技.1998.(2).

[6]程根伟，舒栋材．水文预报的理论与数学模型[M].北京：中国水利水电出版社.2006.

[7]章四龙.洪水预报系统关键技术研究与实践[M]. 北京：中国水利水电出版社.2006.

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

[作者简介]王艳丽(1982-)，女，河北沧州人，工程师，主要从事洪水预报工作。

[中图分类号]P338+.6

[文献标识码]B

[文章编号]1004-1184(2016)03-0139-03