榆社水文站控制流域洪水预报方案研究

2020-01-01邢晓东

山西水土保持科技 2019年4期

邢晓东

（晋中市水文水资源勘测分局）

1 流域概况

1.1 自然地理

榆社水文站位于浊漳河北源，控制流域面积698.79 km2。流域群山环绕，山峦叠嶂，北高南低，东西高中间低。流域海拔一般1 000-1 400m，最高峰全榆洼顶海拔2 020m。流域地貌大体可分为石质山区、土石山区，间或黄土丘陵。石质山区主要分布在流域分水岭边缘地带，面积约占控制流域面积40%；黄土丘陵区主要分布在双峰以南及各支流下游两岸，面积约占27%；土石山区介于上述两类地貌之间，面积约占33%。大部分石质山区被森林与灌木杂草群落覆盖，水土流失轻微；土石山区以杂草和零星灌木为主，植被覆盖较差，水土流失较为严重；黄土丘陵区为主要农作区，以农田植被为主，水土流失在流域中最为严重。流域北部的石源林场，面积约50 km2，占总面积7.1%。沿河两岸，分布有生长较好的小块阔叶林。黄土主要分布在沿河谷及山麓地带，山坡、山顶多为出露的砂岩地层。

1.2 气象要素

榆社水文站控制流域属温带大陆性气候，年平均气温9℃，极端最高气温37℃，极端最低气温-24℃。年均降水量577.1mm，年最大降水量876.1mm（1977年），年最小降水量315.4mm（1972年）；7-8月降水量290.1mm，占年降水量50.3%；汛期多暴雨，易发生洪水危害。年均蒸发量1 716.43mm，无霜期约160 d。主要气候特点是十年九旱，旱涝交替。

1.3 河流水文

榆社水文站控制流域河流水系参见图1。除浊漳河北源干流外，主要支流为龙门河、官上河、武源河和泉水河。浊漳北源俗称县河，为榆社县最大河流，境内全长72.2 km，流域面积1 747.2 km2，河床纵坡6.6‰；龙门河全长17 km，流域面积69.3 km2，河床纵坡16.47‰；官上河全长17 km，流域面积75.5 km2，河床纵坡15.06‰；武源河全长20 km，流域面积69.5 km2，河床纵坡8.43‰；泉水河全长38 km，流域面积205 km2，河床纵坡6.12‰。自1957年6月设水文站以来，最大洪水发生于1970年8月10日，洪峰流量1 190m3/s；1998年7月12日，发生了迁站以来的最大洪水，洪峰流量1 040m3/s，相应水位998.30m，水面宽115m，最大水深2.50m，最大流速8.19m/s。另外，在1962、1967、1996和2006年，也发生了建站以来的较大洪水，洪峰流量达787-965m3/s。调查历史最大洪水，发生于1930年，洪峰流量2 340m3/s；其次为1931年7月洪水，洪峰流量1 508m3/s。据资料，1961-2009年间，汛期5-10月共发生过18次洪灾，损失惨重。1963年7月23日，全县遭暴雨袭击，0.5 h降雨59mm，庄稼被淹563.2 hm2，倒伏1 733.3 hm2，成灾面积3 133.3 hm2；1976年8月20日至21日，榆社县普降大暴雨，作物受灾面积4 693.3 hm2，倒塌房屋2 100间，死亡6人，冲走树木2万株，公路桥梁损坏严重；1996年8月4日，榆社县8个乡镇58个村庄降暴雨，山洪暴发，浊漳河上游流量660m3/s，城关流量达1 100m3/s，冲垮河岸堤坝40多处，新开发的大面积滩涂良田被冲淹；2008年5月9日，云竹、社城、河峪、北寨等乡镇遭暴雨冰雹袭击，农田受灾面积2 860 hm2，直接经济损失4 800余万元。

1.4 水利工程

榆社水文站控制流域的主要水利工程为双峰水库，大坝位于浊漳河北源社城镇双峰村上游，控制流域面积190.2 km2，流域长度26.2 km，平均宽度7.26 km，河道纵坡23.66‰。在控制流域面积中，森林面积78.75 km2，占41.4%；石质山区面积88.76 km2，占46.7%；土石山区和黄土丘陵区面积22.69 km2，占11.9%。流域内植被覆盖较好，水土流失不甚严重。双峰水库于1975年5月批准兴建。原设计为中型水库，枢纽由拦河坝、泄洪洞与溢洪道组成，后因资金等方面的原因，多次停工续建，直至2005年10月10日续建验收，由县水利局管理。现总库容1 503.5万m3，其中兴利库容882万m3，死库容310万m3。水库坝高20m，坝长210.15m，坝型为均质土坝；河岸开敞式梯形溢洪道，底宽30m，长度210.15m；城门型泄洪洞，长度198.8m，宽×高为4.3m×5.1m；塔式输水，输水管道长度260m，孔口宽×高为1.2m×1.2m。设计洪水标准100 a一遇，校核洪水标准1 000 a一遇。具有防洪、供水和灌溉功能，年供水量445.8万m3，灌溉农田233.3 hm2。

1.5 水文站网

榆社水文站控制流域内有水文站1处（石栈道），雨量站17处（水文部门管理的雨量站10处，县水利局管理的雨量站7处）。其上游泉水河建有山洪水位站1处。各水文站点分布及河流水系情况见图1。

1.5.1 水文站

图1 榆社水文站控制流域站点分布及河流水系图

榆社水文站位于箕城镇太邢西街，地理位置东经112°58′，北纬37°04′。所属河流为海河流域南运河水系浊漳北源，发源于榆社县社城镇焦红寺大牛村，自北向南纵贯全县。其河长45.5 km，平均河宽154m。流域地貌属土石山区，岩石为砂页岩。流域土壤除沿河两岸为沙性土外，其余均为壤土和黏土，土质较好，适宜农作种植。流域内植被覆盖较低，水土流失较为严重。

该站设立于1957年6月。1971年1月，因修铁路影响下迁2 km至县城北门外，称为石栈道（二）站，1997年更名榆社水文站，是太行山漳河北源迎风面土石山区的区域代表站。

测验河段较顺直。其上1 800m处为榆太公路桥，约200m处有一弯道，水流受桥及弯道影响，致使主流经常摆动。两岸山坡坡脚均修有公路。河床由细沙组成，冲淤变化剧烈，并有分流、斜流现象。1978年在右岸河道内造堤将河道束窄，并沿河建砌石护岸。其下1 750m处，于2004年5月建有橡胶坝一座，蓄水时对水位有影响，造成水位高、流量小。测验断面纵断面见图2。

图2 榆社水文站纵断面图（2014年5月29日）

1.5.2 水位站

流域内仅有赵王1处水位站，站码31008240，位于泉水河上北寨乡赵王村，由榆社县水利局于2014年6月设立。

1.5.3 雨量站

控制流域内现设有雨量站17处，皆为自记雨量站，有关基本情况详见表1。

2 洪水预报方案编制方法研究

洪水预报方案编制，是应用合理的预报模型和方法，根据流域特征及降水情况，预报流域断面河段洪水来势，以便采取措施积极应对洪水，避免洪灾发生或尽最大努力减小灾情损失的一项工作。在编制方法上，根据流域下垫面属性差异、降雨产流随机性、流域形状、雨量站点分布以及现有预报模型应用经验，选用水文模型单元产流、汇流法进行预报方案编制。即：首先，将控制流域分成若干个产汇流计算单元，分别计算产流量和汇流量，得出单元面积的出流过程；然后，将单元面积的出流过程按河系串联，从上向下依次演算；最后，求得榆社水文站断面的洪水过程。这种方法的好处：一是将降雨、产流空间的不均匀性，通过单元划分予以弱化；二是将河网内各处的调节能力的差异，通过分河段汇流演算予以均化；三是物理概念清楚，有利于提高预报成果精度。

表1 榆社水文站控制流域雨量站一览表

2.1 单元划分

在单元划分上，综合考虑流域特性相近、水系完整、暴雨特性差异不大等情况，充分应用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，尽可能使每个单元都有代表性的雨量资料。本方案将榆社水文站控制流域，共划分为12个单元，各单元情况详见表2。

表2 榆社水文站控制流域产汇流单元划分情况表

2.2 节点选定

为了反映流域的连通性，便于分析流域的洪水来源，为地方防洪减灾提供服务，在单元划分基础上，进一步确定出6个节点，用以在预报方案编制中显示各节点的洪水信息。单元分区及节点位置见图3。

图3 榆社水文站控制流域洪水预报单元分区示意图

2.3 方案说明

A1单元和A7单元为双峰水库控制流域，水库至2009年建成以来：若未正常运行，该单元仍进行产汇流计算；如果水库正常运行后，应改变预报方案，直接引用双峰水库（即1001节点）的流量过程；若水库正常运行后有泄洪过程，则1001节点产汇流按0处理，不进行河道演算。

A1单元和A7单元产汇流计算结果成为1001节点，通过水库提供泄洪量作为入流量；A8单元和A9单元产汇流计算结果，成为1002节点；1002节点通过河道演算至官上河入浊漳北源处，与A2单元和A11单元的产汇流计算结果叠加，成为1003节点；1003节点通过河道流量演算至武源河入浊漳北源处，与A3单元和A12单元产汇流计算结果叠加，成为1004节点；1004节点通过河道演算与A6单元和A10单元产汇流计算结果，再与1005节点（A5单元产汇流计算结果作为1005节点）通过河道演算与A4单元产汇流计算结果叠加，成为1006节点（1006节点到出河口榆社站距离较近故不进行河道演算）的流量过程，即为榆社水文站流量、洪量过程。划分的12个单元和6个节点，相互间的关系与方案编制流程见图4。

2.4 资料选用与处理

图4 榆社水文站洪水预报方案编制流程图

榆社水文站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。对近8a的大洪水资料，在建立预报方案（率定或检验）时均予以选用。以上所有水文站和雨量站均为国家基本站网，资料经过审查和验收后形成汇编，具有较高的可靠性。

2.4.1 资料收集

榆社水文站在洪水预报方案编制中收集的资料如下：

（1）水文站以上流域内7处雨量站自设站至2017年的降水量摘录资料和日降水量资料；

（2）自水文设站至2017年的洪水摘录资料和日均流量资料；

（3）水文站1967-2017年水面蒸发量观测资料；

（4）水文站控制流域历次暴雨洪水调查资料；

（5）流域的地质、水文地质和植被等资料及图件；

（6）划分的各单元流域特征值，如河长、河道比降、流域面积等，在大比例尺地形图上进行了重新量算；

（7）用泰森多边形法，对流域内各雨量站面积权重进行了量算。

2.5.2 资料处理

在洪水预报方案编制过程中，从水文站观测整编的资料中挑选出场次洪水，并对各雨量站所对应各场次洪水的雨量以及前15 d的雨量，按时段1 h进行摘录。对于跨时段观测或人工观测资料，结合周边自记站的降水过程和强度，进行等时段分析处理。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、产流特点等，以保证每场雨洪配套较好。最终选用雨量分布均匀、雨洪配套较好的典型洪水进行预报模型参数率定。

3 预报参数率定及合理性分析

榆社水文站洪水预报方案精度评定，按《水文情报预报规范》进行。方案或模型的确定性系数，是考量洪水预报过程与实测洪水过程吻合程度的重要指标。

3.1 参数率定及成果

概念性水文模型参数，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，是客观的不需要率定；过程参数代表着流域不能直接测量的物理特性，具有一定的主观性，因此必须进行率定。过程参数率定的主要依据，为洪水预报过程与实测洪水过程的吻合程度。

3.1.1 参数率定

榆社水文站控制流域共划分为12个单元和6个节点，由于流域内原有雨量站点稀少，观测雨量的代表性差,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，故很难精确率定过程参数。

本次洪水预报方案编制共选用7场次雨洪配套资料。为降低过程率定难度，首先，对流域内的暴雨中心和暴雨走向资料进行分析，合理分配时段雨量，调整各雨量站所占的权重；然后，以预报结果与实测结果进行对比，将差别控制在允许误差范围内或最为接近时，进行各单元参数调试。

表3 双超模型洪水预报参数率定成果表

（1）率定步骤。流域模型参数的率定，大致分为以下三步：①前期准备，如流域分块，选择雨量和流量站点，资料的录入和处理等；②建立子流域输入文件，并初步确定参数值；③运行计算程序进行成果分析，调整参数，反复演算，直至满意。

（2）率定原则。由于榆社水文站控制流域的下垫面情况比较单一，除12单元下垫面情况有所变化以外，其他单元地类相似，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。同时，充分应用《山西省水文计算手册》中的分析成果，包括流域吸收率、导水率、流域水文下垫面图等。在具体进行参数率定时，首先选择近期雨量和流量资料控制较好、观测精度较高的场次洪水进行，为早期洪水参数率定积累经验。

3.1.2 率定结果

本次洪水预报方案，共选用7场次洪水过程进行参数率定，其中有5场洪水（20090716、20100808、20100809、20100811、20120731）拟合相对较好，其参数需要在今后的工作实践中不断修定。限于篇幅，本文仅给出20100809次暴雨洪水实测与模拟洪水过程线对比图（图5）。各单元产汇流参数率定结果见表3，河道演算参数结果见表4。

3.2 合理性分析

洪水预报精度评定的项目，主要包括洪峰流量、峰现时间、径流深等。许可误差是依据预报成果的使用要求和实际预报技术水平等综合确定的。由于预报方法和预报要素不同，《水文情报预报规范》对许可误差的规定如下：（1）洪峰预报。降雨径流20%，河道流量5%-20%，水位小于0.10m；（2）峰现时间预报。30%，以3 h作为计算时段长。

表4 榆社水文站控制河道主要节点演算参数成果表

图5 榆社水文站20100809号洪水模拟与实测过程线比较图

各控制点各场次洪水模拟的评定结果见表5和表6。由表5可知，模拟预报的7次洪水：洪峰误差在3.0%-34.5%之间，有5次合格，2次不合格，总体合格率为71.43%；洪量误差在0.8%-124.3%之间，有2次合格，5次不合格，总体合格率为28.57%。洪量模拟效果较差。由表6可以看出，模拟预报的7次洪水，峰现时间误差均为0-3 h，全部合格。

表5 榆社水文站洪水预报方案场次洪峰流量与洪水总量比较表

表6 榆社水文站洪水预报方案场次峰现时间比较表

4 存在问题与建议

4.1 存在问题

（1）在本次洪水预报方案编制过程中，由于雨洪配套资料太少，给系统分析带来了很大困难，直接影响了参数的率定。究其原因，主要是由于20世纪60-70年代以前，洪水比较多，但当时的雨量站数量过少，且多为人工观测，难以满足预报要求；而80年代以后，虽然区域站网建设和改造不断进行，雨量站自记化程度也在逐步提高，雨量资料逐渐完善，但随着气候和下垫面条件的改变，全区性大暴雨或局部暴雨在逐渐减少，致使发生洪水的几率也相应减小。

（2）根据规范规定，一个区域洪水预报方案编制，分析的洪水场次不应低于25次，但本次参数率定所选用的洪水仅有7场次，不符合规范要求。

（3）本次洪水预报演算时段为1 h，对于陡涨陡落不足1 h的洪水，预报结果与实测值相差很大。