贺江南丰水文站洪水预报方案分析

韩长峰，陈仲桥，董 向

(广东省水文局肇庆水文分局，广东 肇庆 526060)

对于河道汇流和区间产流作为输入，下游目标断面作为输出的洪水预报方案，国内外一直采用马斯京根法加区间模型(新安江模型、单位线法等)并进行不断的修正。马斯京根法是进行河道演算的水文学方法，方法虽然简单但有一定的实用价值，所以至今仍被应用，20世纪50年代以来我国对马斯京根法的物理概念及其使用条件进行了研究论证，对经验单位线的基本假定与客观实际情况不符所带来的问题，采取了有效的处理方法，提出了适合各种不同运用条件下的简易预报方法；新安江模型存在“异参同效”现象，在使用过程中需要不断优化。

为解决南丰水文站洪水预报方案精度问题，文中采用多种方法相互对比验证，取得的结果基本一致，并制作了较优洪水预报方案，可应用于预报作业。

1 概述

1.1 河流水系

贺江为西江左岸一级支流，集雨面积为11 536 km2，河长为352 km，平均河床比降为0.471‰，发源于广西富川县黄沙岭，经广西贺州市流入广东境内封开县，于封开江口镇汇入西江。流域大部分面积在广西，境内(广东)面积为2 334 km2，占全流域面积的20.2%，河长为128 km，100 km2以上支流共8条[1]。

流域水系及工程分布示意见图1所示。

图1 贺江流域水系及工程分布示意

1.2 调度现状

合面狮水利枢纽集水面积为6 260 km2，位于广西贺州市境内，下游46 km为广东省封开县南丰水文站，根据《贺江洪水调度方案》，合面狮出库达到2 500 m3/s或南丰水位达到35.5 m时，由贺州市防总和肇庆市防总视情况启动联合会商，下达调度指令；合面狮入库达到3 600 m3/s或南丰水位达到36.0 m时，珠江防总、广西自治区防总和广东省防总视情况启动联合会商，下达调度指令，水文部门根据调度意见和实时雨水情况开展南丰水文站的洪水预报工作。贺江中下游主要水文站(合面狮以下)参数见表1。

表1 贺江中下游主要水文站参数[2](合面狮以下)

1.3 预报方案现状

贺江为跨省河流，广西境内流域面积站流域总面积的79.2%，贺江洪水经合面狮水库调蓄后的最大泄量基本决定了南丰镇河道洪水量级；区间集水面积50 km2以上的支流7条，区间降雨对南丰镇河段洪峰量级的影响明显。

历史上沿用的洪水预报方案，一是南丰峰前3 d西山站雨量做参数的信都与南丰水位相关法[3]；二是合面狮泄洪流量与南丰水位估报相关法。现有两种方法都存在预见期短、精度一般的缺陷。

因洪峰传播时间短，留给预报作业和人口转移的时间有限，上下游电站调度流量组合情况复杂，现有方案难以取得较好精度，基于南丰水文站洪水预报现状，寻找一种高精度、易操作的洪水预报方案非常必要。

2 主要研究内容

2014年以来，在国家防总的指导下，珠委防总会广东、广西防总启动联合调度机制，水文部门根据调度指令中的未来合面狮泄洪流量和实时雨水情开展南丰水文站洪水预报作业，主要对南丰水文站洪峰出现时间、洪峰流量、洪峰水位进行分析研判，从而支撑防洪决策。文中以下部分分别从传播时间、洪峰流量、洪峰水位3个方面进行研究分析。

2.1 传播时间

1)马斯京根法[4]

随机抽取区间入流影响较小、洪水过程数据较完整的实测洪水3场，根据马斯京根汇流原理，推算洪水传播时间。

槽蓄方程：

W=KQ′=K[xI+(1-x)Q]

(1)

水量平衡方程：

(I1+I2)/2-(Q1+Q2)/2=(W2-W1)/Δt

(2)

式中K为蓄泄关系曲线坡度即传播时间。

经试算，其中20200608号洪水x=0.4时Q′与W线性关系较优，K=ΔW/ΔQ′=(15 808-0)/(3 297-1 179)=7.5，即合面狮至南丰水文站洪峰传播时间为7.5 h；20110508号洪水计算洪水传播时间为7.3 h；20190614号洪水计算洪水传播时间为5.5 h(见表2～3所示)。

表2 合面狮至南丰河段马斯京根参数推算

表3 抽样洪水试算马斯京根法参数k、x成果

2)历史洪水统计法

统计2007年以来合面狮26次泄洪中时间关系较明显的场次18场(见表4)，洪峰传播时间范围为7～13 h，其中7 h 3场，8 h 4场，9 h 2场，10 h 3场，11 h 4场，12 h 1场，13 h 1场。

表4 历史洪水洪峰传播时间统计

3)经验公式法

一般情况下，根据上下两个断面的平均流速和河段长度计算洪水传播时间。

曼宁公式:

C=n-1h2/3J1/2

(3)

谢才公式:

v=C(RJ)1/2

(4)

将公式(3)代入公式(4)，并用平均水深h代替水力半径R，可得：

v=n-1h2/3J1/2

(5)

可以看出，洪水传播速度与河床糙率、过水面积、平均水深、河道水面比降等因素有关。

南丰水文站以上区间河道弯多，石质河床，糙率取0.04；平均水深选取6 m、7 m、8 m 3种(对应水位和流量分别约为36 m、37 m、38 m；2 800 m3/s、3 300 m3/s、3 800 m3/s)，河段平均坡降为0.471‰，洪峰前后水面比降接近河床比降，可借用；根据南丰站不同洪水等级选择3种平均水深进行计算。

合面狮水库至南丰水文站46 km，根据表5流速，计算洪峰传播时间为5.9～7.1 h。

表5 合面狮水库至南丰水文站洪水流速计算

2.2 流量计算

贺江南丰水文站洪峰流量主要由合面狮水库泄洪流量加区间降雨汇流形成，合面狮水库泄洪流量在传播至南丰断面过程中，需考虑坦化，故南丰水文站洪峰流量可用公式表示为：

Q南丰=f(L)Q合+f(P区间)

(6)

(7)

式中Q南丰为南丰水文站流量，m3/s；Q合为合面狮出库流量，m3/s；j为坦化系数；k′为区间降雨产生的流域出口流量系数；P区间为南丰水文站峰前48 h区间造峰雨量，mm。

采用南丰水文站建站以来合面狮26场泄洪资料、对应的南丰水文资料和区间降雨分析计算k′，j值。

选用信都、扶隆、南丰、西山、大水口5个雨量代表站，计算南丰峰前48 h内造峰雨量，算术平均法计算平均值(见表6)。

表6 区间平均降雨量计算

选取区间降雨较小的洪水场次，初步计算坦化系数j值为0.92～0.97。经试算，当j值为0.94，k′值为7时，26个样本中，计算流量正偏离13个；负偏离13个；相对误差绝对值≤10%的样本24个，保证率92.3%；相对误差绝对值≤20%的样本26个，保证率100%。总体样本确定性系数DC为0.96[5]，属洪水预报甲等方案[6](见表7)。

表7 参数分析

2.3 水位预报

选用南丰水文站建站以来，合面狮26次泄洪的南丰水文站相应洪水水位流量资料，建立水位流量相关图[7]。因低水部分受电站调度影响关系散乱，同时南丰水文站水位在36.0 m以下基本上不需启动洪水预报作业，因此在南丰站水位在36.0 m以上，洪峰流量在2 500 m3/s以上13场洪水资料系列中，以起涨水位33.7 m和34.6 m外包，建立以起涨水位为参数的4条关系线，起涨水位分别为33.7 m、34.0 m、34.3 m、34.6 m。其中2010年6月15日20：00，南丰水位站洪峰水位为38.02 m，相应流量为3 520 m3/s，经查阅当时资料进行分析，该流量偏小，作为特殊值处理(如图2所示)。

图2 南丰水文站水位预报相关示意

3 结语

1)马斯京根法计算样本偏少，分析结果为5.5～7.5 h，供参考；历史洪水统计法统计洪水传播时间为7～13 h；经验公式法计算洪水传播时间为5.9～7.1 h。综合考虑河道特点、洪水组合以及工程调度影响，建议该河段洪水传播时间采用7 h。

2)通过分析洪峰水位和流量关系，以起涨水位33.7 m和34.6 m外包，得出南丰水文站起涨水位分别为33.7 m，34.0 m，34.3 m，34.6 m 4种情况下的洪峰流量与相应水位关系图。

3)虽然流量误差确定性系数0.96，达到洪水预报方案甲等等级，但是区间造峰雨流量相关系参数k′值为7.0，概化程度较高，未考虑前期降雨、时空分布、汇流时间等因素，使用时需综合考虑。

4)马斯京根法试算得出参数k、x值，但样本数量有限，建议参考使用，马斯京根法可作为第二方案对比使用。