合成流量法在窟野河神木水文站洪水预报中的应用

由宇军，富康平，宋淑红

（陕西省水文水资源勘测局，陕西 西安 710068）

窟野河流域是黄河中游暴雨中心区之一，窟野河流域洪水主要由暴雨形成，窟野河流域内的洪水峰高量小、洪峰尖瘦、暴涨暴落，历史上暴雨洪水给当地群众生命财产安全带来严重损失。神木水文站，位于窟野河中游陕西省神木市南郊五里墩，设于1951年10月，1955年8月16日断面上迁450 m，1956年1月1日断面下迁2400 m，站名为神木（二）观测至今，属国家重要水文站。研究该站洪水预报方法为神木市防汛决策提供可靠依据，对该市防汛减灾十分必要。故文中采用合成流量法对神木站洪峰流量进行预报。

1 流域概况

窟野河为黄河右岸一级支流，全河长242.0 km，流域面积8706 km2，河道比降2.6‰，其中陕西省境内河长157.9 km，流域面积4071 km2，为我省境内较大流域之一。上游称乌兰木伦河，发源于内蒙古伊金霍洛旗苏布尔嘎镇阿尔胡德梁村杨家壕四组东南。干流略呈“丫”字型，河流总体流向为自西北向东南，在活鸡兔沟入河口进入陕西省境内，再向南，在房塔以西称为乌兰木伦河。最大支流悖牛川发源于内蒙古准格尔旗准格尔召镇乌兰哈达村神山活子，河流自河源向东南至暖水川入河口，向西南至沙家塔进入陕西省神木市。

2 水文站网

（1）预报站

神木水文站位于陕西省神木县南郊五里墩，地处东经110°30′，北纬38°48′，属国家重要水文站，本站系窟野河中游干流控制站，集水面积7298 km2，河长168 km，距河口距离74.2 km，河道平均比降为3.44‰。实测最大流量13800 m3/s，实测最大含沙量1570 kg/m3，多年平均径流量4.888亿m3，多年平均输沙量0.612亿t，多年平均降水量427.8 mm。

（2）预报根据站

神木水文站上游乌兰木伦河设有王道恒塔水文站，为国家基本水文站，1958年10月建站，位于神木县店塔镇牛皮塔村，东经110°24′，北纬39°04′，断面以上集水面积3839 km2，距神木站33.6 km。

上游主要支流悖牛川设有新庙水文站，位于内蒙古自治区伊金霍洛旗新庙镇古城壕村，东经110°22′，北纬39°21′，断面以上集水面积1527 km2，距神木站69.8 km。

（3）区间雨量站

区间集水面积1932 km2，共设有8个雨量站，分别为：乔家梁、秦家沟、张家村、芦草沟、老高川、店塔、麻家塔、大昌汗。其中有长系列观测资料的站4个，分别为乔家梁、秦家沟、张家村、芦草沟。

王道恒塔和新庙至至神木站区间站网见表1。

此次编制神木水文站合成流量预报方案，采用神木站1969年～2017年共49年洪峰流量大于1000 m3/s的洪水资料系列，共选取洪水场次34场（筛除了11场上游未涨水或上下游不具有相关关系的洪水）。其中1969年～2000年为方案编制资料系列，2001年～2017年作为方案检验资料系列。

方案所选的资料均来自水文年鉴，可靠性较好，能充分反映出干支流洪水的演进变化规律，同时包括大、中、小各代表年份的洪水,具有很好的代表性，符合《水文情报预报规范》的要求，水文站上下游没有较大的水利工程影响，资料一致性也较好。

3 预报方案的建立

3.1 预报原理

窟野河神木站上游为沙丘和流沙覆盖区，地处毛乌素沙漠的东南边缘，属于半干旱地区，为超渗产流地区，上游干支流由王道恒塔水文站和新庙水文站控制，区间流域面积为1932 km2，可采用合成流量法进行预报。

表1 王道恒塔和新庙至至神木站区间站网一览表

图2 王道恒塔至神木站洪峰流量传播时间相关曲线图

根据上游及区间来水情况采用乌兰木伦河王道恒塔站洪峰流量与悖牛川新庙站的相应流量合成作为合成流量或以悖牛川新庙站洪峰流量与乌兰木伦河王道恒塔站的相应流量合成作为合成流量，以区间降雨量为参数，与神木站相应流量建立相关关系，形成合成流量预报方案，预报神木站洪峰流量，见图1。

基本数学表达式为：

式中：Q神t+τ为神木站（t+τ）时刻的流量，m3/s；Q合、t为上游各站相应流量之和的合成流量，m3/s；P区间、t+τ为区间时段降水量，mm；τ为洪峰传播神木站的历时，h。

图1 合成流量法原理图

3.2 预报要素分析计算

3.2.1 洪水传播历时的确定

1）王道恒塔站至神木站洪水传播历时

王道恒塔站至神木站区间河长为33.6 km，选取典型洪水上下游站相应洪峰流量资料，计算每场洪水的洪峰流量从王道恒塔站传播到神木站的时间作为传播时间τ，并点绘王道恒塔～神木站传播时间τ相关曲线。根据相关曲线洪峰流量在3000 m3/s以上时，传播时间为1.5 h～2 h；2000 m3/s～3000 m3/s时，传播时间为 2 h～2.5 h；1000 m3/s～2000 m3/s时，传播时间为2.5 h～3.5 h。王道恒塔站至神木站洪水传播时间相关曲线见图2。

2）王道恒塔站至悖牛川汇入口洪水传播历时

王道恒塔站距悖牛川汇入口5.0 km，洪水传播历时用王道恒塔站至神木站站洪水传播历时按距离内插求出。依据相关曲线，洪峰流量在3000 m3/s以上时，传播时间为0.23 h～0.3 h；2000 m3/s～3000 m3/s时，传播时间为 0.3 h～0.38 h；1000 m3/s～2000 m3/s时，传播时间为0.38 h～0.53 h。王道恒塔站至悖牛川汇入口洪水传播时间相关曲线见图3。

图3 王道恒塔站至悖牛川汇入口洪峰流量传播时间相关曲线图

3)新庙站至悖牛川汇入口相应洪水传播历时

新庙站至悖牛川汇入口40.1 km，选取新庙站历年各级水位的实测流量资料，点绘断面平均流速与相应流量的关系图，由不同量级的流量查出断面平均流速，再计算出各级流量下的洪水传播历时。

相应洪水传播历时用公式为：

式中：τ为洪水传播历时，h；L为新庙站至河口的距离，km；v为新庙站实测断面平均流速，m/s；λ为断面形状系数，取1。

根据相关曲线流量在3000 m3/s以上时，传播时间为1.8 h～2 h；1000 m3/s～3000 m3/s时，传播时间为 2 h～2.5 h。

新庙站至悖牛川汇入口相应洪水传播时间相关曲线见图4。

图4 新庙站至悖牛川汇入口相应流量传播时间相关曲线图

4)新庙站至神木站相应洪水传播历时

新庙站至神木站69.8 km，选取新庙站历年各级水位的实测流量资料，点绘断面平均流速与相应流量的关系图，由不同量级的流量查出断面平均流速，再计算出各级流量下的洪水传播历时。

根据相关曲线流量在3000 m3/s以上时，传播时间为3.2 h～3.6 h；1000 m3/s～3000 m3/s时，传播时间为 3.6 h～4.5 h。新庙站至神木站相应洪水传播时间相关曲线见图5。

图5 新庙站至神木站相应流量传播时间相关曲线图

3.2.2 合成流量的计算

本方案合成流量是指王道恒塔站洪峰流量与新庙站相应流量之和或新庙站洪峰流量与王道恒塔站相应流量之和。即：

根据上游来水情况，具体推求方法如下：

1）以乌兰木伦河王道恒塔站为主的洪水

①根据王道恒塔站洪峰流量Q王峰出现时间及传播至悖牛川汇入口的历时，推求王道恒塔站洪峰流量Q王峰到达悖牛川汇入口的时间，②用王道恒塔站洪峰流量Q王峰传播至悖牛川汇入口的时间减去新庙站洪水传播历时，即为新庙站相应流量时间，以此在新庙流量过程线上推算出新庙站相应流量Q新相应。③用王道恒塔站洪峰流量Q王峰和新庙站相应流量Q新相应相加推求Q合。

2）以悖牛川新庙站为主的洪水

根据新庙站洪峰流量Q新峰出现时间及传播至悖牛川汇入口的历时，推求新庙站洪峰流量Q新峰到达悖牛川汇入口的时间。②用新庙站洪峰流量Q新峰传播至悖牛川汇入口的时间减去王道恒塔站洪水传播历时，即为王道恒塔站相应流量时间，以此在王道恒塔流量过程线上推算出Q王相应。③用新庙站洪峰流量Q新峰和Q王相应相加推求Q合。

3）区间降雨推求

根据神木站峰现时间，依据区间雨量站相应时段降水量采用泰森多边形法计算洪峰出现之前区间面雨量，各代表站权重见表2。

表2 代表站权重（7站）

3.3 建立相关关系

统计计算各次洪水的合成流量与神木站实测流量以区间降雨量为第三参数，建立相关关系，合成流量预报神木站洪峰流量相关图见图6。

图6 神木站洪峰流量预报图

3.4 方案预见期

根据神木站洪峰流量与传播时间关系，将洪水传播历时按神木站洪峰流量的量级进行规划,大致划分成三个时间段，使方案在实际预报操作时便于确定，方案的预见期为1 h～6 h。神木站洪水预报方案的预见期见表3。

表3 方案预见期表

4 方案评定与检验

4.1 方案评定

分别对各次洪水的洪峰流量、洪峰出现时间按照许可误差法进行评定，得到神木站合成流量法方案总体评定结果见表4。

表4 合成流量法洪水预报方案评定结果表

4.2 方案的检验

使用2000年～2014年3场洪水进行方案的精度检验,洪峰流量和峰现时间检验结果见表5。

表5 合成流量法洪水预报方案精度检验结果表

由表5可知，3次洪水洪峰合格率66.7%，为丙等；洪峰出现时间合格率100%，为甲等。根据《水文情报预报规范》（GB/T 22482-2008）的规定方案总体等级为乙等。

5 结论及建议

5.1 结论

合成流量法方案评定等级乙等，根据《水文情报预报规范》的规定，方案可以用于发布正式预报。

5.2 建议

（1）在方案编制过程中筛除了一部分主要由区间来水形成的洪水过程，根据上下游站实测洪水过程，存在完全由区间降雨形成的洪水过程，在实际应用中遇到完全由区间降雨形成的洪水过程，预报精度将无法保证，有待于进一步研究由区间降雨形成的洪水过程的产汇流规律，完善本站的预报方案。

（2）根据上下游洪峰流量实测点据分布情况，当区间降雨较大时上下游相关性较差，相应预报误差较大。

（3）区间雨量站仅有5个，雨量站设置偏少，且在流域以内分布不合理，雨量资料多数年份观测时段为6小时，不能控制区间降雨量及降雨强度，致使部分场次洪水洪峰流量上下游出现不相应、不合理现象，建议加强该地区雨量站网建设。

（4）没有考虑区间人类活动对产汇流的影响，从2000年以来神木站涨水情况看，有部分较大洪水出现反常现象，建议进一步研究窟野河流域人类活动对产汇流的影响因素。

（5）2000年以来，神木站较大的洪水过程较少（洪峰流量1000 m3/s仅3场），需要今后的大洪水过程资料对预报方案进行进一步的检验。