沱江干流登瀛岩水文站“8.17”洪水预报分析

吕 睿

(四川省内江水文水资源勘测中心,四川 内江 641100)

1 流域概况

1.1 自然地理特征

沱江,长江上游左岸一级支流,地理位置优越,属四川腹地重要河流之一。发源于川西北茂县的九顶山南麓,从东到西有三支上源,依次是绵远河、石亭江和湔江,基本呈平行状水系由北向南流,分别在汉王场、高景关、关口等地出山后,进入成都平原水网区,与都江堰引岷江水的青白江、毗河汇合于金堂县赵镇,正式成为沱江干流。干流穿过龙泉山金堂峡,一路南行沿途左右纳入绛溪河、阳化河、九曲河、球溪河、濛溪河、小青龙河、大清流河、釜溪河、濑溪河等支流,沿途经简阳市、资阳市、资中县、内江市、自贡市、富顺县等,于泸州市汇入长江。

沱江干流全长502 km。以金堂县赵镇三江汇口为界,之上为上游山区,出山后进入平原区,之下为干流丘陵区,地势朝东南倾斜。流域内地质构造简单,水土流失严重,干旱明显,森林覆盖率仅5.1%,为四川各流域中最低[1]。

预报河段为沱江干流三皇庙水文站以下、支流球溪河北斗水文站以下至登瀛岩水文站以上区间,属沱江中游,河段内沱江干流长203 km,集水面积7 894 km2。流域形状为扇状,主要为丘陵地形,植被较差,耕地多,农耕发达,水利化程度高,人类活动频繁。

1.2 水文气象特征

沱江中游有气候温和、四季分明、热量丰富、雨量较多、大气湿度大等特点,属中亚热带湿润气候类型,利于各种植被和农作物生长。由于沱江干流流域位于川东伏旱和川西洪涝的过渡地带,也常有冬干、春旱,夏旱、涝,秋多绵雨等不利天气,对人们的生产、生活均有一定影响。

沱江中游流域多年平均降水量1 000 mm左右。浅丘地区雨量分布不均,汛期暴雨中心不稳定,乐至、简阳一带为低值区,多年平均降水量约900 mm左右,至内江一带升为1 000～1 100 mm。降水量年内分配极不均匀,多集中在主汛期(6-9月),约占全年的75%左右;而12-4月雨量极少,仅占全年的5%～9%。

登瀛岩水文站水量由三皇庙站、北斗站来水和区间径流组成。上游山区和成都平原大暴雨形成沱江大洪水的主体,其次是丘陵区各支流来水。所以沱江的洪水,一般在金堂县赵镇就已形成,上游来的洪水起垫底作用,如与中游支流来水和区间大暴雨相遇,就可形成沱江干流的大洪水或特大洪水。

1.3 测站基本情况

沱江登瀛岩水文站,1953年6月设立,位于四川省内江市资中县归德镇特建村,是沱江干流中游控制站,距河口距离286 km,流域集水面积为14 484 km2。测验河段位于上下游弯道之间,顺直长度约600 m。基本断面设置于顺直段中央收缩口深潭处。两岸为陡岩,水面宽变化小。河底左边为乱石,右边为泥沙,冲淤变化不大。河段内无分滩、串沟、漫滩等现象。低水为下游浅滩控制,中高水为下游弯道和河槽控制。登瀛岩水文站区间流域如图1所示。

图1 登瀛岩水文站区间水系

1.4 洪水特征

登瀛岩水文站地处盆地西南部,流域面积大,自然坡降小,洪水多受全流域大暴雨、上游洪水、本地暴雨影响,属典型的大江大河特性。坡地和河道汇流速度慢,洪水历时长,一般持续2～4 d,洪峰时间一般约为1～2 h,会因降雨时段分散产生复式洪峰。区间河段内先后建成大量水利工程,其中,有三岔坝大型水库1座,中型水库有黄板桥、老鹰、石盘、张家岩、东禅寺等5座,小型水库约300座,有效库容合计约5.7亿m3。另外,区间河段内已建和拟建有梯级电站6座,分别为：九龙滩电站、养马河电站、石桥电站、沱江电站、南津驿电站和王二溪电站。由于水库和电站较多,蓄放水量对汛初、汛末的洪水预报略有影响。

2 降雨情况

2020年8月15日至17日,受西南涡与冷空气共同作用影响,四川盆地出现连续强降雨,其中,沱江上游地区,出现罕见的连续性大暴雨,造成沱江干流水量迅速增加、水位急剧上涨。8月15日20时至17日2时,三皇庙站至登瀛岩站区间流域发生局部强降雨,雨量为暴雨到大暴雨。降雨强度大而集中,主要分布在流域上游西部和下游地区,区间累积平均降雨量78.4 mm,最大6 h及最大累积降雨均出现在北斗站,雨量分别为170.0 mm、251.0 mm。区间有雨量观测站12个,面平均雨量采用分区平均然后加权计算,登瀛岩站以上流域降雨量统计详见表1。

表1 8月15日20时至17日2时登瀛岩区间流域平均降雨量统计 mm

3 洪水预报

3.1 预报方案

登瀛岩洪峰主要由干流上游三皇庙站、球溪河支流北斗站来水加区间降雨径流组成,预报登瀛岩站的洪峰以下式表达：

Qp,登预t+τ=Qp,三t+Q北t+τ-τˊ+q-ΔQ+Q基

(1)

式中,Qp,登预t+τ为预报登瀛岩站洪峰流量;Qp,三t为三皇庙站实测洪峰流量;Q北t+τ-τˊ为北斗站t+τ-τˊ时刻流量;q为区间降雨径流量;Q基为登瀛岩站基流;ΔQ为三皇庙站洪峰流量至登瀛岩站的区间展开量。

3.2 河道洪水预报

采用相应流量法。上游山区和成都平原的暴雨是沱江洪水的主要来源,而三皇庙水文站控制了上游山区和成都平原,所以,三皇庙站洪水与登瀛岩站洪峰有较为密切的关系。利用三皇庙洪峰流量～登瀛岩洪峰流量相关关系线,预报登瀛岩站洪峰流量。

三皇庙站于2020年8月16日20∶45出现洪峰,洪峰流量7 910 m3/s,以其洪峰出现时间为登瀛岩站预报根据时间。根据两站相应洪峰流量关系曲线得登瀛岩站相应洪峰流量Qp,三,t-ΔQ=7 310 m3/s。由于三皇庙来水远大于支流和区间来水,故以干流洪水传播时间作为预报的预见期,根据传播时间曲线得洪水传播时间τ=20 h,则得登瀛岩站洪峰出现时间为8月17日16∶45左右。

3.3 降雨径流预报

区间洪水预报采用API模型。

3.3.1 产流计算

利用P～Pa～R降雨径流经验相关图进行产流计算。Pa初始值假设Pa=15 mm开始计算,然后连续计算到汛末为止[2]。Pa计算公式如下：

Pa,t+1=K(Pa,t+Pt)

式中,K为土壤含水量日消退系数;Pa,t,Pa,t+1分别为第t天,第t+1天开始时刻前期影响雨量;Pt为第t天降雨量。

流域前期降水较多,计算得8月15日8时、8月16日8时登瀛岩站以上流域Pa=75.0 mm。再根据各时段区间平均降雨量,查降雨径流相关图,得各时段流域径流深。计算结果如表2所示。

表2 登瀛岩区间流域时段径流深统计 mm

3.3.2 汇流计算

经验单位线：用试错法和分析法计算单位线,经过统计分析,区间径流过程受降雨地区影响较为显著,其次受降雨强度影响。经综合分析,组成A、B、C三型单位线。

因各时段降雨中心主要集中在一区或三区,故用A型单位线来计算区间流域汇流,基流为200 m3/s。经内插得8月17日16：45的区间径流为2 000 m3/s,计算结果见表3。

表3 单位线预报径流过程计算成果

3.3.3 北斗站来水

北斗站预报8月17日0：30出现洪峰,洪峰流量1 540 m3/s,北斗站到登瀛岩站的洪水传播时间τ′=8 h左右,则北斗站洪峰到达登瀛岩站时间为8月17日8∶30左右,会比三皇庙来水更早8 h左右到达登瀛岩站,等三皇庙来水到达登瀛岩,北斗来水已处于退水阶段,依据洪峰流量1 000 m3/s以上的北斗站流量退水过程,适当考虑洪水传播过程中的坦化作用,估计参与登瀛岩洪峰形成的北斗来水Q北,t+τ-τ′为1 100 m3/s左右。

3.4 洪水预报结果

Qp,登预t+τ=7 310+2 000+1 100=10 400 m3/s;因干流来水是洪峰主要构成,所以洪峰到达时间以干流洪水传播时间为准,取20 h。本次预报登瀛岩将于8月17日16∶45左右出现洪峰,洪峰流量10 400 m3/s。登瀛岩站实测洪峰流量为11 000 m3/s,峰现时间8月17日16∶30。以预见期内实测流量变幅的20%作为洪峰预报许可误差,以预报根据时间至洪峰出现时间之间时距的30%作为峰现时间许可误差[3],本此预报洪峰流量及峰现时间都在许可误差范围内,成果对照见表4。

表4 实测洪峰与预报洪峰对照

4 误差分析

“8.17”洪水是登瀛岩水文站建站以来第二大洪水,仅次于1981年洪水,重现期30年一遇,为大洪水。本次预报沱江干流登瀛岩站洪峰流量结果在预报许可误差范围内,但预报峰值偏小,究其原因,在于以下几点。

(1)降雨径流预报的经验方案P～Pa～R中R是直接径流,没有考虑地下径流的产流过程,预报时只在预报出直接径流过程后加上基流。登瀛岩站采用的是历年最枯流量的平均值平割基流,其值没有包含全部的基流往往偏小,而“8.17”洪水是在前场洪水没有完全退平情况下的又一次洪水过程,基流比分割出的基流常值更大,故依照方案预报会导致预报的洪峰值偏小。

(2)上游水利工程对河道水量存在调蓄作用,降雨时若闸坝放水造成径流值偏大,这一问题在洪水预报时没有充分考虑。

(3)由于没有建立北斗来水的预报方案,对北斗站到达登瀛岩站的支流来水只能依靠过去北斗站洪水过程经验,预报结果必然存在误差。

(4)区间产流计算中,前期影响雨量是一个重要参数,而产流计算时采用的是每日8时的前期影响雨量,没有分时段计算,忽略了时段前期影响雨量的不同对产汇流计算造成的影响。

5 建议

此次洪水造成内江市受灾严重,在经济社会快速发展的当下,对洪水预报的要求也越来越高。洪水预报方案是包括多种情况和条件,反映自然界诸因素对预报要素的综合结果,它只是统计性的、平均经验关系,而水文现象本身的复杂性和随机性,导致每一场洪水特性都不尽相同,根据预报方案计算出的预报值往往需要经验修正。提出以下建议,为后续完善预报方案,提高预报精度提供借鉴。

(1)根据洪水特性及前期河道流量考虑基流大小,对基流的确定和前期影响雨量的计算可进一步细化研究,以减少预报误差。对于无方案地区,加强实测资料的累积,建立相关关系,提高预报精度。

(2)有阅历的预报员是提高洪水预报质量和精度的关键。有关部门应加大资金投入和政策力度,强化预报人才的培训和利用,提高预报人员技能。预报人员应熟悉河道特性,掌握上游地区植被情况、垦荒等问题,对流域河流的行洪能力做到心中有数;不能仅限于水文部门的资料,要详细研究分析上游各种拦水建筑物的最大蓄水量以及蓄水变化,估算出对汇流的影响;多与当地基层水利工作人员信息互通,及时掌握上游水利工程调蓄情况,实时调整相应预报结果。

(3)利用多种方案推算数据,对预报成果进行综合研判后再进行预报发布。针对大洪水预报,应充分了解历史大洪水成因,建立历史洪水的水雨情档案,预报同时查询历史上相似洪水,进行对比分析。

(4)降水是暴雨洪水预报中最重要的因素,降水的时空分布不均匀极大地影响了区域的产汇流。雨量站布设的位置、数量直接影响面雨量计算,雨量站数目越多布设密度越高,计算出的面雨量代表性越好越准确。应加强水文基础设施建设,增加雨量站点,优化站网布设,实现雨情信息准确获取,减少预报的前期误差。