基于中国洪水预报系统的周官屯穿运枢纽洪水预报研究

□王艳丽

周官屯穿运枢纽工程是子牙新河、北排河与南运河的交叉行洪工程，兴建的主要目的，是为了妥善解决3 条河流之间交叉行洪的复杂矛盾，且有效调节南运河水量，是沧州市防汛重点关注的预报断面，通过建立适用于小水(主槽行洪)和大水(漫滩行洪)的洪水预报模型，可应用于洪水作业预报，对子牙新河周官屯枢纽洪水期防汛调度尤为重要。

1.研究概况

周官屯穿运枢纽工程是子牙新河、北排河与南运河的交叉行洪工程，位于沧州青县周官屯村南与冯官屯之间，由南运河节制闸、子牙新河主槽涵洞、北排河涵洞、滩地平交埝等6 个主要部分共同组成，为解决子牙新河、北排河与南运河交叉行洪的复杂矛盾及调度南运河水量而建。南运河与子牙新河采用平、立交形式交叉，在运用上，应尽量减少破平交埝的机遇，充分利用主槽涵洞泄洪，北排河涵洞工程设计处理方法与子牙新河主槽相类似，仅规模略小。为解决大水情况下，渡槽漂浮不稳而建的引水压槽工程由引水渠、引水涵洞和引水压槽闸3 部分组成。子牙新河献县进洪闸至周官屯穿运枢纽河段全长81km，两堤宽2km～3km，设计流量5500m3/s，校核流量8800m3/s。

随着现代电子计算机及网络通信技术的发展，为我国洪水预警预报管理系统的构建应用提供了先进技术手段和条件，使得洪水预警预报信息在采集、传输、数学模型计算分析、预警信号的发布和服务等各个环节融合在一起，实现了周官屯穿运枢纽洪水预警预报联机作业。根据设置的预报子牙新河周官屯穿运枢纽洪峰流量、峰现时间及洪水总量任务，通过加载水情数据实时库(包括降雨、水位、流量等数据资料)，根据当前洪水形成的规律和具体特点，找出对应模型计算公式，继而确定洪水的预报方案，基于设置的洪水预报方案，将其计算结果和实测数据相互对比，求出相应误差，再重新调整相应参数值，比较结果与误差，直至误差最小，即率定出参数的最优值。基于建立的预报方案，为保证预测结果的精确性和可靠性，需将所制订的预测方案，根据其允许的误差程度标准要求进行方案评定和检验。该方案建好后即可对正在发生的强降雨及上游来水情况进行实时监测和预报，推算得出将要发生的洪水量大小及发生洪水出现时间，用于子牙新河周官屯穿运枢纽洪水期防汛调度工作，可为周官屯穿运枢纽洪水期防汛减灾工程提供技术支撑。

2.周官屯穿运枢纽洪水预报

洪水预报系统模型法根据子牙新河献县至周官屯段(距离81km)过水资料，确定模型的输入、输出，选定计算模型，对历史资料进行模拟计算率定、验证，可用于周官屯穿运枢纽洪水作业预报。

2.1 方案构建

预报方案设置子牙新河献县进洪闸实测流量为输入，周官屯穿运枢纽实测流量为输出，分大水（滩地行洪）和小水（主槽行洪）两套方案。

大水（滩地行洪）采用河北河道汇流模型（HBHDMODEL），方案输入为献县30901400+30901402，输出为周官屯30901600+30901602，方案计算时段为h，方案输出类型为流量。

小水（主槽行洪）采用带下渗马斯京根分段连续演算模型（MSKLOSS），方案输入为献县进洪闸30901400，输出为周官屯主槽30901600，方案计算时段为1h，方案输出类型为流量。滩地行洪、主槽行洪结构图见图1、图2。

图1 滩地行洪结构图

图2 主槽行洪结构图

2.2 模型原理

2.2.1 模型原理

河北河道汇流模型（HBHDMOD⁃EL）河道沿程造成的损失计算，根据80年代后平原河道行洪的实际资料，先从模型输入量中扣除河段损失，再进行调洪演算的一种计算方法。

计算时先将输入扣除损失，并考虑河段面上降雨，即：

式中：

Ip=Ia+ph-Fh；

Ph=PΔt×B×L/Δt；

Fh=FΔt×B×L/Δt；

Ia—输入断面平均入流；

Ph—河面时段雨量(P△t)；

Fh—t 时刻的下渗量/时段(F△t)；

B—计算河道的平均河道宽；

L—输出河段的河道长；

t—计算时段长h。

河道下渗选用霍顿公式，计算时段短时，F(下渗率)×△t(时段长)=时段下渗量F△t。

表1 子牙新河周官屯穿运枢纽率定目标函数值统计表

表2 子牙新河周官屯穿运枢纽预报率定场次洪水统计表

表3 子牙新河周官屯穿运枢纽预报模型参数统计表

表4 周官屯洪水预报方案等级评定表

图3 1988 年场次洪水率定图

图4 1996 年场次洪水率定图

由于前期损失大，即霍顿公式中的fo 较大，模型输入量首先满足河道初损、下渗后，输入量才能流到输出断面，故用累计输入量（上游来水量）与累计入渗量之差，来扣除损失。

当 IWn≤0，Ipn=0；IWn＞0， I，pn=IWn-IWn-1

式中：

IWn—第n 时段累计入流（包括河面降雨）与累计下渗之差；

其他符号同前；

Iat、Pht、Fht—时段平均值（单位m3/s）；

Ipn—第n 时段平均入流。

马斯京根分段连续演算模型（MSKLOSS），由G.T.麦卡锡提出，在马斯京根河得到应用和研究，可用于汇流演算。分析河段从输入到输出有水量损失时，即河段槽蓄量的变化等于过水流量与入渗量沿程变化之和。

将上式（3）转化为上述平衡方程，简之为计算河段的槽蓄方程，则分别为：

式中：

dW—计算时段内河道槽蓄量变化；

I—河段平均输入量；

Q—河段平均输出量；

F—河段平均入渗流量。

令I′=I-F，则式(4)和式(5)分别变为：

根据下渗经验公式，如河道平均河宽为B，河段全长为ΔL，则Δt 时段的入渗量F 为：

计算时，根据ΔL 及过水资料中的传播时间来定Δt，将河逐一分成单元来分别演算。输入量进入Ⅰ单元开始算入渗量（F），求出净输入量（R）后由R 计算至Ⅱ河段，Ⅱ单元河段再计算自身河长的R，同时演算至Ⅲ单元河段……，直到输出断面为止。在此，预报河道入渗量全程发生时时变动，同一个单元的河道在不同的时间段也发生着时时变动。这种将马斯京根分段连续演算方法与霍顿的饱和入渗方程相融合，就建立了一个从入流到出流，从地表至地下的计算框架，模拟了洪水在传播过程中由河道向地下渗漏及洪水波向下游传播的过程。

图5 周官屯站作业预报结果图

2.2.2 模型参数

河北河道汇流模型（HBHDMOD⁃EL）中：

W—河道平均水面宽度，m；

L—河长，km；

HK—霍顿下渗曲线参数；

AH—1km 河长的汇流时间；

BH—断面形状参数，河道汇流取值小于0.4；

TH—河段上下断面的传播时间，h；

HFI—初始下渗率，mm/h；

HFC—稳定下渗率，mm/h；

马斯京根分段连续演算模型（MSKLOSS）中：

x—反应河道对上游来水调蓄情况。河道越平坦，取值越小，范围在0.01～0.5 之间；

KK—演算时段长度；

MP—演算河道分段数；

F0—初始下渗率，mm/h；

FC—稳定下渗率，mm/h；

FK—下渗常数，反映土壤物理性质，取值范围0～1；

L—河长，km；

W—水面宽度，m。

2.3 参数率定

2.3.1 模型率定结果

方案率定分小水（主槽行洪）和大水（滩地行洪），分别采用1988 年和1996 年洪水资料，目标函数统计见表1。

参数率定结果由率定结果可知，1988 年场次洪水中预报洪峰流量为237m3/s，而实测洪峰流量252m3/s，相对误差6%；预报洪水总量180×106m3，而实测洪水总量为199×106m3，相对误差9.5%，能达到《水文情报预报规范》(GBT22482-2008)中规定的许可误差小于20%。见图3。

1996 年场次洪水中预报洪峰流量为1463m3/s，而实测洪峰流量1588m3/s，相对误差7.9%；预报洪水总量1786×106m3，而实测洪水总量为1787×106m3，相对误差0.1%，能达到《水文情报预报规范》（GBT22482-2008）中规定的许可误差小于20%的。见图4。

子牙新河周官屯穿运枢纽预报率定场次洪水统计见表2。

2.3.2 模型参数见表3

2.3.3 模型检验

用最近年份2016 年7 月19 日实测洪水验证模型，洪水属于小水（主槽行洪），采用对应小水（主槽行洪）参数，作业预报验证结果见图5。

2.4 预报方案

根据《水文情报预报规范》（GBT22482-2008），在率定调参时，拟合的精度可用两种目标函数进行表达，即确定性系数准则和合格率准则。因沧州地处平原，过水年份较少，方案率定时使用洪水资料少，达不到规范场次标准，方案的评定暂以率定结果中的确定性系数准则为依据。预报断面的预报等级见表4。

3.结论与建议

周官屯穿运枢纽按小水主槽行洪和大水漫滩行洪贴合当地实际过水情况，模型程序化提高了预报的精度和时效性，通过近期洪水检验，从洪峰流量和洪水过程拟合度上，预报精度效果很好。因沧州地处平原，过水年份较少，方案率定时使用洪水资料少，达不到规范场次标准，预报方案降低使用，建议结合传统预报方法和预报人员经验，根据实际洪水情况及见水后实测流量滚动作业预报。□