桃河流域洪水预报方案研究

李晓峰

（阳泉市水文水资源勘测分局）

阳泉市位于山西省东部的太行山中段西麓，东、南面与平定县相连，西面与寿阳县毗邻，北面与盂县交界，总的地势西北高、东南低，呈阶梯状分布。桃河作为阳泉市的“母亲河”，自西向东穿越市区而过，夏季洪水暴涨暴落，对阳泉市区的防洪减灾影响很大。因此，做好桃河市区段洪水预报工作极为紧迫。

1 桃河流域概况

1.1 自然地理

桃河发源于寿阳县东部的土陉岭，从郊区旧街乡新店村进入阳泉市境内，由西向东流经郊区的旧街乡、平坦镇、矿区、城区以及郊区的李家庄乡、义井镇，在平定县娘子关镇与温河汇合后称为绵河。流域总面积1 313 km2，河长96 km。

桃河流域位于太行山区，呈东西向梯形状，南北宽25 km，东西长52 km余，西高东低，主流偏于流域之北侧，主要支流均偏于流域之南侧。乱流以上为主要支流汇集区，地貌类型属砂页岩土石山区，剥蚀严重。森林覆盖率仅为13%，水土流失严重，年土壤侵蚀模数2 820 t/km2。该区域为阳泉市主要工矿区，因采煤造成地貌的人为破坏严重。乱流以下无较大支流汇入，属石灰岩土石山区，河道横割太行山屋脊，切割深达数十米到百余米，两岸岩石裸露，绝壁悬崖，河流弯曲湍急。

阳泉水文站以上流域地质，大体为砂页岩区占55%，壤土区占45%；地貌多为丘陵山地，丘陵占63%，山地占22%，丘陵坡地占15%；土壤植被情况为，农作物和灌木林占72%，裸露岩石占28%。阳泉水文站建站以来，实测最大洪峰流量为2 200 m3/s，发生于1959年；最大调查洪峰流量为2 810 m3/s，发生于1945年。阳泉水文站控制流域水系见图1。

阳泉水文站控制流域面积490 km2，从发源地到阳泉断面河长44 km，主要支流有太平沟、库仓河、泉寺河、保安沟、芦湖沟、桑掌沟、蒙村河等。河道平均纵坡11.5‰，河床糙率0.03。洪水主要由上游山区暴雨形成，洪水暴涨暴落，持续时间较短，挟沙能力强，具有典型的山溪河流特性。

1.2 水文气象

阳泉水文站流域属暖温带大陆性季风气候，四季变化比较明显，春季多风少雨，夏秋降雨集中，冬季干燥寒冷。据阳泉市气象局近30年的统计资料，年平均气温10.8℃；1月最冷，月均气温-4.2℃；7月最热，月均气温24℃。相对湿度54%，最大冻土深度68 cm（1968年2月）。流域多年平均降水量560.1 mm，最大年降水量866.4 mm（1964年），最小年降水量240.4 mm（1972年），最大日降水量为261.5 mm；降水量年内变化较大，多集中在每年的6-10月份，约占年降水量的75%。

1.3 水利工程

阳泉市桃河流域现有小（1）型水库1处，即山南水库，位于桃河上游支流泉寺河上，属寿阳县辖区。水库控制流域面积89 km2，总库容535万m3，坝体为土坝，1973年建成投入运行。由于地处桃河源头区，建成后基本未泄水，对下游水文站洪水计算影响甚微。

1.4 水文站网

阳泉水文站控制流域现有水文站2处（旧街、阳泉），雨量站13处（见图1）。

图1 阳泉水文站控制流域水系图

1.4.1 水文站

阳泉水文站始建于1955年6月，位于阳泉市桃南东街55号，集水面积503 km2。1980年1月，断面上迁2 km至桃南中街简子沟，集水面积490 km2，更名为阳泉（二）站，观测至今。测验河段两岸均为块石浆砌护岸，主槽宽71.0 m，左岸滩槽57.4 m，右岸滩槽26.0 m。滩槽为桃河公园景区，种有各种花草树木。主河道每隔70m有一道人工蓄水坝，坝高0.9 m，且部分硬化，常年蓄水，高中水水流顺直，河床为沙砾卵石与黏土碾压而成，冲淤变化不大。测验断面横断面图见图2。

图2 阳泉水文站测流横断面图

1.4.2 雨量站

阳泉水文站控制流域内现有雨量站共13处，皆为自记雨量站，具体位置与建设年份详见表1。

表1 阳泉水文站控制流域雨量站统计表

2 洪水预报方案研究

2.1 洪水单元划分

综合考虑流域特性相近、水系完整、暴雨特性差异不大等因素，进行洪水单元划分。充分运用流域内现有的水文雨量站网资料，通过水文比拟、暴雨面积加权等方法，尽可能的使每个单元都有代表性雨量资料。根据洪水预报方案研究需要，将阳泉水文站控制流域共划分为9个单元。

（1）芦湖沟单元（A1）。面积58.4 km2，水文下垫面以砂页岩灌丛山地为主，单元雨量由东西畛雨量站控制。

（2）马家坡沟单元（A2）。面积33.2 km2，水文下垫面以砂页岩灌丛山地为主，单元雨量由吴家掌雨量站控制。

（3）蒙村沟单元（A3）。面积58.01 km2，水文下垫面以砂页岩灌丛山地为主，单元雨量由阳泉雨量站控制。

（4）保安沟单元（A4）。面积53.58 km2，水文下垫面为砂页岩灌丛山地，单元相关区间雨量由新窑、保安2处雨量站控制。

（5）库仓沟单元（A5）。面积39.51 km2，水文下垫面主要为黄土丘陵阶地，单元相关区间雨量由芹泉、库仓2处雨量站控制。

（6）太平沟单元（A6）。面积68.18 km2，水文下垫面由砂页岩灌丛山地和黄土丘陵阶地组成，单元相关区间雨量由太平、界石2处雨量站控制。

（7）桃河干流单元（A7）。面积23.62 km2，水文下垫面主要由砂页岩灌丛山地和黄土丘陵阶地组成，单元相关区间没有雨量站，借用旧街雨量站资料。

（8）泉寺河单元（A8）。面积90.15 km2，水文下垫面主要由砂页岩灌丛山地和黄土丘陵阶地组成，单元相关区间雨量由落磨寺、山南水库2处雨量站控制。

（9）桑掌沟单元（A9）。面积64.37 km2，为桃河的一级支流，水文下垫面以砂页岩灌丛山地为主，单元雨量由后峪雨量站控制。

2.2 洪水节点确定

为了反映流域洪水的连通性，更好地为防洪减灾提供服务，在洪水单元划分的基础上，进一步确定出5个洪水节点，用以在洪水预报系统中显示其洪水信息。

流域单元分区及节点位置见图3。

图3 桃河流域上游洪水预报单元划分示意图

2.3 洪水预报方案说明

阳泉市桃河流域洪水预报方案，共分9个单元和5个节点。第5、第6单元产汇流计算结果，作为1001节点的控制流量；第8单元产汇流计算结果，作为1002节点的流量控制；1002节点、1001节点的流量，通过河道演算与第4、第7单元产汇流计算结果叠加，作为1003节点的控制流量；1003节点的流量，通过河道演算与第1、第9单元产汇流计算结果叠加，作为1004节点的控制流量；1004节点的流量，通过河道演算与第2单元产汇流计算结果叠加，作为1005节点的控制流量；1005节点与第3单元产汇流计算结果叠加，作为阳泉水文站出站口的控制流量。

3 洪水预报方案评价

3.1 洪水预报参数确定

洪水预报方案精度评定，按《水文情报预报规范》（GB/T 22482-2008）进行。洪水预报方案或模型的确定性系数，是洪水预报过程与实测过程之间的吻合程度指标。

阳泉水文站雨洪配套资料较少，本方案选用了4次 洪 水 过 程 （20160720、20150717、20120731、20110702）进行预报演算。经过对各组参数反复调试后，最后确定了洪水预报参数（详见表2）。

表2 阳泉水文站洪水预报方案率定结果场次洪峰与洪量确定系数统计表

3.2 洪水预报成果分析

20160720洪水和20110702洪水的预报情况与实测情况比较，详见图4和图5。从图4可以看出，20160720洪水：达到洪峰前的洪量，预报基本准确；预报的洪量峰值偏大，洪峰形成时间偏后；峰值后的洪量，预报偏大。从图5可以看出，20110702洪水：达到洪峰前的洪量，预报较为准确；预报的洪量峰值偏小，洪峰形成时间偏后；峰值后的洪量，预报偏小。

图4 阳泉水文站20160720洪水参数率定过程线比较

图5 阳泉水文站20110702洪水参数率定过程线比较

3.3 洪水预报成果评价

对4场次历史洪水过程模拟的评定结果，见表3、表4。由表3可以看出，对4次洪水的洪峰和洪量预报成果合格率均为50%。由表4可以看出，对4次洪水的峰现时间预报合格率达75%。

表3 阳泉水文站洪水预报方案率定结果（洪峰和洪量）

表4 阳泉水文站洪水预报方案率定结果（场次峰现时间）

4 有关问题讨论

从上述洪水预报看，结果不是十分理想，其原因虽然是多方面的，但最主要的还是资料问题。

4.1 雨洪配套资料少

根据《水文情报预报规范》规定，一个洪水预报方案编制时，分析的洪水场次不低于25次。在本次洪水预报方案研究编制过程中，由于雨洪配套资料太少（20世纪80年代以前，洪水比较多，但当时雨量站数过少，观测段制太粗；80年代以后，雨量资料虽然逐渐增加，但雨量站自记化程度不高，可选用的洪水资料也相对较少），参数率定仅选用阳泉水文站的4场次洪水，不满足规范要求，给综合分析带来困难的同时，直接影响了洪峰、峰量参数的率定精度。

4.2 流域情况了解不全

由于对水文站控制流域内的地形地貌、产流特性和洪水特性等了解不够全面，率定洪水参数时依据条件太少，故造成了预报不准确。今后应对控制流域内的水文状况，进行全面详细的调查。由于阳泉水文站控制流域2003年进行了河道改造，水文下垫面发生变化，加之分析洪水场次较少，洪水预报参数与预报结果均存在偏离实际情况。

4.3 洪水预报时段选取

目前，洪水预报演算的时段为1 h，对于陡涨陡落洪水过程不足1 h的洪水，预报结果与实测值相差较大，洪量差值更为突出。今后，应对洪水预报时段进行深入研究，针对不同流域情况，分析选取合适的洪水预报时段。