基于水量平衡的历史典型洪水过程还原方法

郁 昱，李 君，薛潇凡，洪美玲

（1.江苏省水文水资源勘测局南通分局，江苏 南通 226000；2.南通市九圩港水利工程管理所，江苏 南通 226000）

0 引言

淮河流域地处长江、黄河之间，隶属暖温带半湿润季风气候区，具有大陆性气候特征，雨季暴雨频繁，洪水发生频繁。仅新中国成立以来，淮河流域就发生十多次比较大的洪水，包括1954 年、1968年、1969 年、1983 年、1991 年、1996 年、2003 年、2005 年、2007 年和2020 年历史典型洪水，每场洪水特点鲜明。新中国治淮70 多年来，流域内修建水库6300 余座，总库容329 亿m3，其中大型水库44 座，与行蓄洪区等工程错落分布，组成了一个复杂的水库与河道、行蓄洪区联合防洪系统。要制定科学合理的淮河流域防洪调度方案，必须依据流域天然洪水过程。随着社会经济发展及科技进步，淮河流域防洪工程不断增加，对洪水天然过程改变也在不断加深。因此，开展历史典型洪水过程还原，科学合理地进行洪水调度，不仅可以降低下游的洪峰水位，减小洪灾损失，而且有利于洪水资源利用。

1 水库入库天然洪水过程

对水库资料而言，现有水库的水位、蓄量、出库流量及对应的时间，通过水量平衡方程推求出水库的入库过程，即：

式中：V(t+1)、V(t)分别为t+1时刻与t 时刻的水库蓄水量（亿m3）；

Q(t+1)、Q(t)分别为t+1时刻与t 时刻的水库入库流量（m3/s）；

q(t+1)、q(t)分别为t+1 时刻与t 时刻的水库出库流量（m3/s）；

Δt 为t+1 时刻与t 时刻的时间间隔，计算中已统一化为1h。

由于一次洪水过程中，历时相对很短，且蒸发、渗漏等损失的水量与次洪总量相比很少，故计算过程中可不考虑水量的损失。

当水库上游还存在其他水库时，该水库的天然入库洪水应等于上游水库入库洪水在该水库坝址处的响应流量加上水库间的区间洪水，水库间的区间洪水计算公式如下：

式中：Q库区(t)为t 时刻区间流量；Q'(t)为该水库t 时刻由水量平衡反推得到的入库流量；n 为该水库上游的水库个数；qi(t)为第i 座水库t 时刻出库在该水库坝址处的响应流量。

该水库的天然入库洪水计算公式如下：

式中：Q(t)为该水库t 时刻天然流量；Qi(t)为第i座水库t 时刻入库流量在该水库坝址处的响应流量。

在水库入库流量推求过程中，由于多种因素的影响，推求的入库流量过程线常出现锯齿状的跳跃，而且Δt 越小，锯齿越严重，不符合洪水过程的一般规律。采用滑动平均的方法，在选取Δt=1h的基础上，采用以下公式计算水库入库流量，用t 到t+1 时刻的平均值代替t 时刻的瞬时值，尽可能地消除锯齿。

式中：Q(t+1)、Q(t)分别为根据式（1）求得的t+1 时刻与t 时刻的水库入库流量。

图1、图2 为2005 年响洪甸水库、佛子岭水库入库流量过程。

图1 2005 年响洪甸水库入库流量过程图

图2 2005 年佛子岭水库入库流量过程图

2 区间天然洪水过程

在进行天然洪水还原的过程中，需要使用区间流量资料。水库以下区间洪水过程根据各水库出库流量和控制断面的实测流量过程，以及水库到河道控制断面的河道洪水演进（马斯京根法或汇流曲线）推求。本研究通过河道洪水演算模型，将各水库的出库流量演算至控制断面，控制断面实测流量与各水库出库演算至控制断面的流量之差即为控制断面与各水库之间的区间流量。

式中：Q实测(t)为t 时段控制断面实测流量；Qi(t)为第i 座水库出库流量演算至控制断面t 时段的流量；n 为水库的个数。

河道洪水演算可采用水力学和水文学两类方法。在水文学方法中，马斯京根法是广泛应用的方法。本项目主要采用马斯京根法进行河道洪水演算，对于缺少马斯京根法参数的河段，则采用河槽汇流曲线法或平推法等进行河道洪水演算。

以响佛横区间为例，响佛横区间的上游水库为响洪甸和佛子岭水库，横排头断面的实测流量与响洪甸水库和佛子岭水库的出库流量演算至横排头的流量之差即为其区间流量。因此，按照上述计算方法，20070702 号响佛横区间流量过程如图3 所示。

图3 20070702 号响佛横区间流量过程图

3 控制断面天然洪水过程

利用各水库的入库洪水过程及其还原后的下游区间洪水过程，运用水库到河道控制断面的河道洪水演进，将各水库的入库流量演算至下游控制断面，而各水库入库演算至控制断面的流量过程与区间流量过程之和即为天然洪水过程，计算公式如下：

式中：Q区间(t)为t 时段控制断面与各水库之间的区间流量；Qi(t)为第i 座水库入库流量演算至控制断面t 时段的流量；n 为水库的个数。

水库入库洪水至下游控制断面的河道洪水演进仍采用马斯京根方法、河道汇流曲线或平推流量法。还原主要控制断面天然洪水过程可为评价不同水库的防洪作用提供支撑。

以淠河控制断面横排头为例，横排头上游相关水库为响洪甸水库、佛子岭水库，区间为响佛横区间。横排头的天然流量为响洪甸和佛子岭水库的入库演算至横排头断面的流量过程与其对应区间流量过程之和。因此，按照上述计算方法，20070702 号洪水横排头断面天然流量过程还原结果如图4 所示。

图4 20070702 号洪水横排头断面天然流量过程图

4 结语

随着经济社会发展及科技进步，淮河流域防洪工程不断增加，对洪水天然过程改变也在不断加深。本文基于淮河水系历史典型洪水，运用水量平衡原理，分别针对水库入库洪水过程、干支流重要控制断面洪水过程以及水库下游区间洪水过程，提出了一种简单快捷的天然洪水过程还原计算方法，并以响洪甸水库、佛子岭水库、响佛横区间、横排头断面历史典型洪水分别为例，开展天然洪水还原计算，研究结果对流域防洪具有参考意义■