小清河石村站洪水特性及洪水预报分析

王路路，张 宇，孙 超

（1.东营市水文中心，山东 东营257000；2.北京师范大学水科学研究院，北京100875）

1 概况

小清河位于鲁北平原南部，黄河冲积平原上，干流自济南玉符河起，自西向东流经济南、淄博、滨州、东营、潍坊5市的10个县、市、区，汇集18个县、市、区的来水，于寿光市羊角沟流入莱州湾，全长229 km，流域面积10434 km2。是一条具有排水、灌溉、航运等多功能的人工河道，为全国五条重要的国防战备河道之一，也是鲁中地区重要的排水河道。小清河水系复杂，支流众多，呈典型的单侧梳齿状分布，几乎全部支流在干流右岸，排洪能力较大。

石村水文站位于东营市广饶县石村镇东辛桥，为小清河最下游干流控制站，距河口52 km，控制流域面积6717 km2。其上游42 km处有岔河站，下游41 km处有羊角沟潮位站。本站主要任务是监测小清河水位、流量等水文要素，收集基本水文信息，开展防汛抗旱、水文预测预报，并承担东营市年度区域用水总量监测、出入境河流控制站径流测报、研究水文规律等。

石村站多年平均降水量为580 mm，丰水年份多达1140 mm（1964年），枯水年份仅为347 mm（1952年），年降水量多集中于汛期，暴雨多发生于7月中旬至8月上旬。该站历史最高水位为8.02 m，出现在1964年；最大流量为521 m3/s，出现在2019年。

2 数据

本研究时段选用1961年～2019年59 a，洪水资料来自历年洪水摘录数据。石村站历史上发生过多次变迁，1992年～2009年石村站只测水位3 m以上洪水，这18年大多数洪水过程摘录不完整，洪水难以分析。1997年因小清河干流治理，该站下迁5000 m至东辛桥现址，干流治理后，流域汇流情况发生了较大变化［1］。

计算流域面平均雨量采用泰森多边形法，这种方法计算简单且使用广泛［2］。选取石村站控制流域面积内的黄台、博山、北凤、九户、芽庄湖、淄川、索镇、马尚、岔河、石村站10个雨量站资料，其面积权重分别为0.21、0.05、0.16、0.08、0.1、0.07、0.12、0.07、0.1、0.04。对10个雨量站资料进行加权平均得到石村站控制流域的平均雨量。

3 洪水特性

3.1 降雨径流关系

将本站历年实测洪水进行整编，分割场次洪水和地表径流，计算地表径流深等水文要素数值。1961年～2019年共选取58场洪水，绘制P+Pa～R图，见图1。P为流域平均雨量，Pa为前期雨量指数，反映前期土湿，前期影响天数选择15 d。由图1可知，石村站的降雨径流关系较为散乱，通过点群中心定线，关系线存在一个转折点，转折点以上关系线与45°线近似平行，转折点以下为曲线［3］。部分点据存在较大偏离，例如2019年大洪水，由于上游破堤泄洪，计算得到的径流深明显偏小。

由于石村站位于平原地区，水系复杂，上游多水利工程，洪水期间上游水库蓄水、闸门开放水等都会影响实际洪水过程［4］。另外，石村站位置近海，受到海水顶托的影响，退水较慢，经常出现一场洪水尚未结束又发生第二场洪水的情况，这些因素导致石村站洪水过程复杂，场次洪水难以划分，计算的地表径流深存在误差，降雨径流关系可能不够准确。

图1 石村站降雨径流相关图

3.2 峰量关系

由于1997年小清河干流治理，流域汇流情况发生了较大变化，河道宽阔顺直，干流水位降低，干支流顶托减少，汇流速度增大，因此1996年以前的峰量资料已失去代表性。本研究根据1997年干流治理后的27场洪水绘图定线，见图2，点据大部分分布在相关曲线两侧，部分偏离较远。由于上游闸门启闭以及下游水顶托导的影响，石村站部分场次洪水存在洪峰和洪量不对应的情况。

图2 石村站峰量关系图

3.3 典型洪水过程

近年来石村站多发大洪水，2018年、2019年连续两年受台风影响发生特大暴雨，给当地带来严重洪涝灾害。本研究选取2013年、2018年、2019年3年典型暴雨洪水过程，分析其洪水特征和成因。

图3 典型暴雨洪水过程

2013年“130731”号洪水洪峰流量为312 m3/s，本次洪水过程中发生多次降雨，导致洪水历时较长，出现复式洪峰。2018年“180821”号洪水洪峰流量为378 m3/s，为历史第二大洪峰，本次洪水受台风“温比亚”影响，期间普降暴雨，降水范围广、历时长、总量大，导致较大洪水过程。2019年“190813”号洪水洪峰流量为521 m3/s，为历史最大洪峰，重现期达50年一遇，本次洪水过程是由于台风“利奇马”和西风槽结合影响，出现极端降水［5］，24 h暴雨重现期达500年一遇。

由以上三次典型洪水过程分析，石村站由于地处沿海平原，地形平坦且受到海水顶托的影响，洪水消退较慢，整个洪水历时相对较长。

4 洪水预报

4.1 洪水预报面临挑战

石村站是小清河干流上最后一个控制站，小清河在其下游41 km处羊角沟汇入渤海。石村站防洪压力相对较低，但近年来由于城市化发展，绿地面积减少，不透水面积增加，产汇流变快［6］。石村站连续两年受台风暴雨影响，发生大型洪水，给其所在地东营市带来严重损失，因此当地加强对石村站防洪工作的重视，其中预报预警起到关键作用。

石村站由于地处感潮河段，其洪水预报面临诸多挑战。位于感潮河段的断面，流量受上游的洪水与下游潮水共同影响［7］，前者取决于控制流域内的降雨径流，流域内多水利工程，上游水库蓄水、闸坝泄洪等导致来水形势复杂多变。后者取决于下游海洋潮汐涨落变化的影响，水位流量常出现不对应的情况。受多种因素影响，石村站洪水特征复杂，其预报面临诸多难题，目前没有很好的适用于类似地区的水文模型。因此，石村站的洪水预报仍以经验预报为主。前文提到石村站的产汇流关系并不稳定，本研究对石村站进行了降雨径流及洪水过程预报，以及上下游相关预报，建议使用上下游相关方案进行实际预报。

4.2 上下游相关

上下游相关是指由上游站洪峰流量或水位预报下游站洪峰流量或水位。上游站选择石村站断面上42 km处的岔河站。为提高预报精度，选择石村站同时流量作为预报参数。当岔河站出现洪峰时，若石村站同一时刻流量较大，会相比流量较小时的洪峰流量更大。如图4所示，点据呈带状分布，引入参数同时流量后可以更好的与点据拟合。

根据《水文情报预报规范》（SL 250-2000）对该洪水预报方案进行精度评定，该方案共选取了32场次洪水资料进行方案适线率定，有28场洪水绝对误差在允许误差（实测洪峰流量的20%）范围内，因此确定本预报方案合格率为87.5%，属于甲级方案。对未参与方案编制的资料（2017年，2019年）进行精度检验，误差均在允许误差范围内，合格率为100%，通过精度评定检验，表明本方案可以正式用于作业预报。

以2019年石村站特大洪水为例进行预报，实测洪峰流量为521 m3/s，而通过上下游相关预报洪峰流量为600 m3/s。在此次洪水发生期间，石村站上游石村（溢）站破堤泄洪50 m3/s，即实际洪峰流量可能达到571 m3/s，可见与预报较为接近。本预报方法合格率为88%，属于甲级方案，可以正式使用。其中，大型洪水预报相对准确，而小型洪水误差相对较大。除了洪峰流量的预报，本研究也对上下游传播时间进行了预报，但合格率仅为65%，预报难度较大，无法正式使用。尤其是小型洪水，受闸门启闭和潮汐的影响，使得对于洪水传播时间的预报偏差较大。

石村站受其特殊的地理位置的影响，加上近年来气候变化，极端天气多发，洪水形势愈加复杂，预报方案使用时必须要全面分析多种因素的影响，尽量使预报符合实际情况。

图4 石村站与岔河站洪峰流量相关图

5 结语

本研究选取小清河流域下游石村水文站作为研究对象，对历年洪水资料进行分析，结果表明：

（1）由于石村站位于平原近海地区，水系复杂，上游多水利工程，实际洪水过程受到上游水库蓄水、闸门开放水以及回水顶托的影响，石村站的降雨径流关系以及峰量关系不够准确，存在部分洪水严重偏离相关曲线，实际工作中仅供参考。

（2）近年来石村站多发大洪水，给当地带来严重损失。对2013年、2018年、2019年3年典型暴雨洪水过程进行分析，研究表明石村站由于地处沿海平原，地形平坦且受到海水顶托，洪水消退较慢，整个洪水历时相对较长。一旦面临极端天气（如台风），将会引发重大洪涝灾害。

（3）近年来，当地加强对石村站防洪工作的重视。但由于石村站地理位置特殊，洪水形势复杂，其洪水预报面临诸多挑战。本研究建议使用上下游相关法进行预报，合格率为88%，属于甲级方案，可以正式投入使用。实际预报工作中建议加大对洪水灾害成因分析，采用多种预报方案进行参考，提高预报精度。