南川河贵石沟水文站洪水预报方案解析

王文君

（阳泉市水旱灾害防御中心，山西 阳泉 045000）

1 流域概况

1.1 自然地理

南川河为桃河的一级支流，发源于平定县的端岭、七千寨、潘家峪一带，自西向东经南坳、罗家峪、暂石，在西郊与阳胜河会合，折而北流，经南上庄、南坪至乱流汇入桃河。流域全长38.6 km，流域面积531 km2，主河道长26 km，流域均宽7.96 km，河床比降较陡，在10‰～200‰之间。南川河主要由上游的三大支流原坪河、尚怡河、苏村河及中游左岸的城南河组成。贵石沟为南川河的一级支流，入河口位于河道中游，水文站以上流域面积145 km2。

1.2 水文气象

贵石沟水文站控制流域位于土石山区，受地理环境影响较大。春季回暖迅速，气温日变化较大，雨水稀少，蒸发量大，干旱多风沙；夏季高温，雨量集中，空气湿润，风速较小；秋季降温迅速，雨量骤减，气候凉爽；冬季严寒干燥，雨雪稀少，多偏北风。属暖温带大陆性季风气候。多年平均气温10.5℃，无霜期在170 d。全年总日照时数为2 787 h，封冻期一般在12月中旬至次年3月中旬，多年平均封冻期为90 d，平均风速2 m/s。

1.3 水利工程

南川河上游建有3座小（一）型水库，分别是尚怡水库、原坪水库、上冶头水库。

尚怡水库位于阳泉市平定县冶西镇尚怡村，水库大坝为粘土心强砂砾石混合坝，控制流域面积为50.6 km2，于1974年开工，1978年完工，防洪标准为50年一遇设计，200年一遇校核，总库容590.4万m3，为Ⅳ等Ⅳ级小（一）型水库。

原坪水库位于阳泉市平定县冶西镇原坪村，水库大坝为重粘土斜墙土坝，控制流域面积为27.8 km2，1982年完工，防洪标准为50年一遇设计，100年一遇校核，总库容382万m3，为Ⅳ等Ⅳ级小（一）型水库。

上冶头水库位于阳泉市平定县冶西镇上冶头村，水库大坝为砌石石拱坝，控制流域面积为10 km2，1979年完工，防洪标准为50年一遇设计，100年一遇校核，总库容123万m3，为Ⅳ等Ⅳ级小（一）型水库。

三座水库为平定县城及冶西、冠山、石门口三个乡镇，19个村，2.87万人，957.33 hm2耕地和阳煤集团五矿、阳光发电有限公司、京宇磁材有限公司等10多个重要企事业单位提供供水保障，为307国道、太旧高速公路等重要交通干线提供防洪保护。

1.4 水文站网

贵石沟水文站控制流域内，现有水文站1处（贵石沟），已建自记雨量站共计7处。

2 预报方案解析

2.1 合理性分析

预报方案是以与断面有关的河段、流域特征和洪水构成为基础，利用预报模型和合理方法进行演算而形成的一个体系。

根据贵石沟流域下垫面属性现状，结合流域形状和雨量站点布置，将流域分成若干个单元，以单元为基础计算产流和汇流，得出单元面积的出流量，然后将出流过程按河系串联，从上游依次以节点向下游演算，最后求得贵石沟断面的洪水过程。单元划分演算方法，物理概念清楚，弱化了降雨、产流空间的不均匀性，有利于提高成果的精度。该预报方案采用水文模型单元产流、汇流法预报，方案比较合理。

2.2 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，尽可能地使每个单元都有代表性雨量资料。按照流域特性相近、水系完整、暴雨特性差异不大的原则，划分为4个单元。

第1单元原坪水库控制流域，单元面积30.03km2。水文下垫面由砂页岩灌丛山地组成。单元相关区间雨量由原坪1个雨量站控制。

第2单元尚怡水库控制流域，单元面积48.86km2。水文下垫面以砂页岩灌丛山地、砂页岩森林山地组成。单元相关区间雨量由马家庄、大南庄2个雨量站控制。

第3单元下冶头水库控制流域，单元面积29.27km2，水文下垫面以砂页岩灌丛山地、砂页岩森林山地组成。单元相关区间雨量由下冶头1个雨量站控制。

第4单元南川河控制流域，单元面积32.51 km2，水文下垫面主要以砂页岩灌丛山地、黄土丘陵阶地组成。单元相关区间雨量由南沟、原坪、尚怡、下冶头4处雨量站控制。

2.3 节点选定

各单元之间因下垫面的不同，需设置节点来反映流域的连通性，进而分析洪水的来源。本预报方案在单元划分的基础上，选定 3个结点（1001、1002、1003），用以在预报系统编制中显示各结点的洪水信息，使预报成果更接近实际。流域单元分区及节点位置见图1。

图1 贵石沟水文站上游洪水预报单元分区示意图

2.4 方案说明

贵石沟洪水、预报方案共有4个单元（A1、A2、A3、A4）和3个节点，通过河道流量演算与4个单元产汇流计算结果叠加，可得出贵石沟水文站出口断面流量、洪量过程。方案流程见图2。

图2 贵石沟水文站上游洪水预报方案流程图

2.5 资料汇编

贵石沟洪水预报方案所选用的资料，严格遵守《水文情报预报规范》（GB/T 22482-2008）的要求。

2.5.1 资料的收集

贵石沟洪水预报方案的编制收集了以下资料：

贵石沟水文站以上流域区间及邻近流域内7处雨量站，设站起至2016年的降水和流量资料；南川河流域内1∶50 000平面图，对流域内植被进行调查，收集地质和水文地质资料；对流域内的河道特征值进行重新量算；利用两种以上面积权重计算方法，对流域内各雨量站面积进行量算，结合实际选取最精确的面积量算结果。

2.5.2 资料的处理

方案编制从贵石沟水文站观测整编的资料中挑选场次洪水，并对各雨量站原始记录所对应各场次洪水的雨量，及前15日的雨量按时段1 h进行摘录，对流域内简易站点，采取人工观测资料结合周边自记雨量站记录的降水过程和强度进行等时段分析处理。

同时，在资料整理过程中，为了模型参数率定科学合理，通过点绘每场暴雨洪水过程线图，分析场次暴雨洪水的雨区分布、径流系数、产流面积、产流规律等措施，保证每场洪水雨洪配套较好，最后选用雨量分布均匀，雨洪配套较好的洪水进行模型参数率定。

3 参数率定及合理性分析

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。预报方案精度评定，按《水文情报预报规范》（GB/T 22482-2008）进行。

3.1 参数率定与成果

概念性水文模型的参数分为物理参数与过程参数。物理参数，代表着流域可以测量的物理特性，如流域面积等；过程参数，代表着流域不能直接测量的物理特性，过程参数必须进行率定。参数率定的主要依据，是洪水预报过程与实测过程吻合程度。

3.1.1 参数率定要求

贵石沟以上流域共划分4个单元，3个结点，由于流域内原有雨量站点稀少，雨量代表性差，很多雨量站观测段次不能满足预报要求，再加上所选用的洪水场次较少，所以很难率定出精度较高的参数。

本次洪水预报方案一共选用2场次雨洪配套资料，为降低方案率定难度，方案率定时，首先对流域内的暴雨中心和暴雨的走向进行资料分析，合理分配时段雨量，调整各雨量站所占权重，最后以预报结果与实测结果进行对比，相差在允许误差内或最为接近时调试各单元参数。

（1）率定步骤

流域模型参数的率定，大致可以分为以下三步进行：首先，按照洪水预报流域单元划分情况，确定雨量和流量站位置名称，并对资料进行录入整理；其次，按照流域下垫面情况，建立子流域文件，初步选定参数值。最终，通过程序运行和成果分析，结合流域现状调查情况，对参数进行调整，确定参数值。

（2）率定的原则

由于贵石沟以上流域下垫面情况比较单一，各单元地类相似，所以在率定产汇流参数时，根据下垫面情况直接借用临近或相似单元的参数。

首先选用近期雨量和流量资料控制较好、观测精度较高的洪水进行参数率定，同时结合《山西省水文计算手册》分析成果，包括流域吸收率、导水率、流域水文下垫面图等，为早期洪水参数率定积累经验、奠定基础。

3.1.2 率定结果

贵石沟水文站雨洪配套资料较少，本方案选用了2场洪水过程进行预报演算，经过对各组参数反复调试，2场洪水过程分为低水、高水，作为贵石沟以上流域预报参数初值，由于洪水场次较少，需要在今后的实践中不断地修定。产流参数率定结果见表1。

3.2 合理性分析

洪水预报精度评定的项目，包括洪峰流量、峰现时间、径流深等。因实际预报技术水平及成果使用要求的不同，预报精度会产生一定的误差，《水文情报预报规范》（GB/T 22482-2008）对许可误差主要有以下规定：

洪峰预报许可误差。降雨径流预报以实测洪峰流量的20%作为许可误差；河道流量（水位）预报以预见期内实测变幅的20%作为许可误差。当流量许可误差小于实测值的5%时，取流量实测值的5%，当水位许可误差小于实测洪峰流量的5%所相应的水位幅度值或小于0.10 m时，则以该值作为许可误差。

峰现时间预报许可误差。峰现时间以预报根据时间至实测洪峰出现时间之间时距的30%作为许可误差，当许可误差小于3 h或一个计算时段长，则以3 h或一个计算时段长作为许可误差。

表1 贵石沟水文站双超产流模型参数率定成果表

表2 贵石沟水文站河道流量演算参数率定成果表

径流深预报许可误差。径流深预报以实测值的20%作为许可误差，当该值大于20 mm时，取20 mm；当小于3 mm时，取3 mm。

各控制点各场次洪水的评定结果，见历史洪水过程模拟评定成果表3。

表3 贵石沟水文站各场次洪水模拟评定成果表

本次预报只对洪峰流量及峰现时间进行了分析，2016年8月24日洪峰，由于降雨不均且非全流域产流，导致模拟与现状出现较大差值。其余都在允许误差范围内，预报精度较为可靠。

4 问题及建议

由于贵石沟水文站为新建水文站，历史洪水及雨洪配套资料较少，对参数的选取上缺乏依据，导致预报精度的误差偏离值较大。为进一步提高洪水预报的准确性，更好地为防洪减灾服务，须加大流域范围内各种资料调查工作的力度，优化单元划分、节点选定和参数率定等关键程序，用多种方法进行计算结果比选，使洪水预报更及时结果更精准。