大洋河洪水预报技术研究

张 静

（盘锦市水利服务中心,辽宁 盘锦 124010）

1 概述

1.1 流域概况

大洋河流域位于辽宁省东部，降水受西太平洋暖湿空气及地形的影响，时空分布不均。降水量分布自西向东增加（多年平均降水量800 mm～1200 mm），年际变化大，年内集中在6 月～9 月（约占全年的76%～79%）。

全长230.2 km，是辽东半岛地区最大的独流入海河流。上游分为东、西两支，西支为东洋河，发源于岫岩县西北部偏岭乡的唐望山；东支为哨子河，发源于岫岩县北部的古洞岭。一般河宽300 m～400 m，河道平均坡度为1.1‰。水系发育良好，因河水流量大如汪洋之意而得名。

流域呈扇形形状，流域面积6554 km2，地势西高东低，多山峰丘陵。土壤多为山石土和淤土，有轻度侵蚀，植被覆盖度40%～60%。大洋河流域属扇形山区型流域，加之降水时空分布不均，洪水具有集流时间短，来势迅猛的特点，洪峰暴涨暴落。

河流流经岫岩县、凤城市、东港市和大孤山经济区等重要县区，一旦发生洪涝灾害必然带来较大损失，因此在现有防洪工程的基础上研究该流域洪水预报技术，对构建大洋河洪水防治体系具有重大意义。

1.2 工程设施

大洋河工程设施主要包括水文站网、水库、防洪工程等。现有岫岩、沙里寨和龙王庙3 处水文站。基本情况见表1。

表1 大洋河水文站基本情况

干、支流上建有土门子大型水库；黑山、罗圈背、刁家坝、廉家坝4 座中型水库；前营、自由、江山头、小甸子、卧龙赵、唐家隈子、跃进7 座小（一）型水库。

防洪工程措施主要包括：在上游山区封山育林，涵养水源；在中游支流修建水库，拦洪削峰，调蓄水量；上下游修建护岸、防洪堤、防潮堤，保护农田，已经初步形成以堤防为主的防洪体系。

1.3 研究内容

研究大洋河岫岩站、沙里寨站、龙王庙站洪水预报模型。依据大洋河流域预报方案和洪水预报系统要求，建立大洋河流域洪水预报水文模型，进行基于河、库、站的流域联合预报。

2 洪水预报

采用基于水文模型和网络地理信息系统的结构，通过算法和边界条件的人机交互，实现洪水预报。

2.1 水文模型构建

2.1.1 双层指数模型

根据流域内各点包气带的蓄水容量不同的特点，绘成流域蓄水容量曲线。在双层指数模型中，采用指数形式的蓄水容量曲线，见式（1）。

式中：F 为流域面积；F0为产流面积；a 为流域参数，反映流域蓄水容量分布特征；P 为降水量。

本模型所用饱和产流计算公式为：

式中：R 为径流深；P 为降雨量；Pa为前期影响雨量；a 为流域参数。

汇流过程为流域上的地面净雨、表层净雨和地下净雨转化为流域出口断面流量的过程。本模型的汇流采用单位线法。

2.1.2 三水源新安江模型

模型包括蒸散发计算、产流量计算和分水源计算三部分。本研究采用分布式三水源新安江模型，将大洋河流域划分为多块单元，通过产汇流计算得出单元出流过程；进行出口以下的河道洪水演算，获得流域出流过程；最后将各单元的出流过程相加，得到流域总出流过程。

模型蒸散发计算采用三层蒸发模式，产流计算采用蓄满产流模型。蓄水容量线型为抛物线型。

式中：f 为产流面积；F 为总流域面积；W 为已产流面积的蓄水容量；WM 为流域平均蓄水容量；b 为参数。

根据式（3）可推出流域最大张力水容量为：

流域张力水蓄水容量为：

流域产流量为：当P-K×EM+A

当P-K×EM+A≥WM 时（全流域蓄满），

式中：R 为产流量；P 为降水量；K 为蒸散发折算系数；EM 为流域蒸发能力。

水源划分通过自由水蓄水库进行，汇流模型的三水源采用线性水库法。

2.2 流域洪水模拟预报

在前述水文模型的基础上进行流域水系河库联合洪水预报。

2.2.1 边界条件

流域洪水模拟预报一般涉及降雨量及其时空分布、下垫面条件（流域蓄水量）、水库防洪调度规程、河道行洪能力等诸多因素。为便于实际应用，本研究对这些边界条件及因素进行概化，经过分析最终确定洪水模拟预报条件的边界条件。

（1）流域蓄水量情况分为：饱和、半饱和。

（2）24 h 面降雨量设置分为：P=50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm，时程分布见表2。

表2 雨量时程分布(Δt=3 h)

（3）大型水库按“汛限水位、死水位”与“汛限水位平均值”调洪；中小型水库按“汛限水位、死水位”进行调洪。

2.2.2 技术方法

本研究主要使用经验预报模型和数学预报模型。经验预报模型涉及降雨径流相关、上下游水位（流量）相关、河道经验演算系数等方法。数学预报模型使用双层指数模型和新安江模型。

3 应用实例

3.1 资料准备

降雨径流资料来源于1966 年～2012 年系列水文年鉴。岫岩站流域平均雨量采用石灰窑、王家堡子和岫岩三站算术平均计算；沙里寨站流域平均雨量选取黄花甸子、谷家店、王家堡子、石灰窑、白家、岫岩、文家街、沙里寨8 处雨量站用算术平均法计算。各站蒸发计算均同岫岩站。径流深使用实测洪水过程割去基流和前期退水过程，再逐时段累计。流域日蒸散发能力、蒸散发折算系数从《辽河流域实用洪水预报方案》中获取。

3.2 水文模型构建

本研究使用的水文模型包括双层指数模型和三水源新安江模型。按2.1 节构建流域水文模型，并进行参数率定。本文以大洋河沙里寨站为例，阐述各类模型产汇流模块中参数的率定方法。

3.2.1 双层指数模型

大洋河流域属于湿润地区，下垫面上层为枯枝落叶层，易蓄满，与指数曲线不完全相符。鉴于此，将下垫面分为两层，上层按蓄满产流计算，下层按指数模型计算。双层指数模型产流参数包括流域蓄水容量Im，上层蓄水容量Sup，上层系数b。经率定，参数选为Im=110 mm，Sup=30 mm，b=0.25。

依据2.1 节方法进行汇流计算，共分析了5 条单位线（如图1 所示）。在进行洪水预报时可根据实时降雨的雨型、降雨强度和暴雨中心位置等情况综合考虑，选择适当的单位线进行计算。

图1 大洋河流域汇流单位线

3.2.2 三水源新安江模型

大洋河流域最大蓄水量Wm采用110 mm，流域蓄水量W0采用单层计算的方法，计算公式为：

式中：K 为蒸散发折算系数；Pt为净雨量。W0的计算日期是从每年的6 月1 日开始，以5 月上旬雨量的三分之一和五月中下旬雨量的三分之二之和作为W0的起始值。W0的上限以Wm控制。

流域的蓄水容量曲线采用b 次抛物线型。本流域b 值采用0.3。

根据上述参数计算并点绘P-W0-R 降水径流相关图，模型关系线与实际点据配合较好。用1966 年～2012 年中16 次洪水资料进行校核，径流深方案合格率为81.2%。

汇流采用三水源滞后演算模型。坡地汇流阶段，地面径流直接进入河网；壤中流经过水库消退作用入流河网；地下径流经地下蓄水库的消退入流河网。各种水源的河网汇流特性均主要受制于河槽水力学条件，三者之和经滞后演算法汇流至单元出口断面。河道汇流采用分段马斯京根连续演算法，将各单元出口流量演算至流域出口，再叠加。

三水源新安江模型率定后的产汇流参数见表3（以沙里寨站为例）。

表3 大洋河沙里寨站三水源新安江模型产汇流参数

3.3 流域洪水预报

按2.2 节进行“以流域干流为主线、以水库和河道水文站为控制节点”的流域水系河库联合洪水模拟预报。以土门子水库（大型）和大洋河沙里寨水文站为例，模拟预报成果见表4、表5。

表4 土门子水库洪水预报成果

表5 大洋河沙里寨站洪水模拟预报成果

4 结论

本文使用双层指数模型、三水源新安江模型构建大洋河各站洪水预报方案。依据大洋河流域预报方案和洪水预报系统要求，以大洋河干流为主、以干、支流水文站点为节点，建立大洋河流域洪水预报水文模型，为大洋河流域的河、库、站联合预报、全流域水系河库洪水模拟预报提供参考。未来可据此进一步进行实时预报与洪水预警相关研究，最终构建洪水预报实时系统。