汾河下游新绛断面洪水预报系统研究

杜亚平

（运城市水文水资源勘测站，山西 运城 044000）

1 项目概况

汾河是山西省境内第一大河流，是黄河第一大支流，发源于忻州市宁武县管涔山，在万荣县荣河镇庙前村入黄河，全长716km，流域面积39471km2。本次项目的研究区域为汾河临汾境内的柴庄断面至运城境内新绛断面，全长58km。

柴庄水文站位于汾河中下游的襄汾县南贾镇上鲁村，是山西省汾河干流上国家级重点水文站。1956年由原史村站（1951年设立）下迁至此。流域内有岚河、潇河、文峪河、洪安涧河、涝洰河等较大支流汇入，上游有汾河、文峪河等3座大型水库、8座中型水库；流域集水面积33932km2，距汇入黄河距离129km，控制河长565km，河道纵坡0.233%。

新绛水文站位于临汾盆地南端新绛县，新绛站断面上游流域面积约为35532km2，流域长度为323.7km，距河口距离为89km。汾河新绛水文站下游总人口150万人，是运城市经济发展的重点区域，其国民生产总值占全市的32%。自1996年以来，下游防汛被各级政府列为防汛工作重中之重。

2016年7月，受流域长历时连续强降雨影响，汾河中上游发生持续暴雨洪水，新绛水文站断面上游水文站均发生超过400m3/s流量的洪水，持续不断地迅速向新绛断面推进，根据7月19日至7月28日的实测数据，洪峰流量最大为450m3/s，这是自1996年以来发生的最大的一次洪水。

根据汾河下游暴雨洪水特点，用汾河下游柴庄水文站与新绛水文站之间的实测洪水资料与区间降雨资料，编制新绛断面的洪水预报方案，开发汾河下游新绛断面洪水预报系统，可有效提高洪水预报精度，增长有效洪水预见期，提高防汛抗旱指挥决策的科学性，充分发挥水利工程减灾效益。

2 研究方法

根据柴庄至新绛断面之间的实测暴雨及洪水资料，统计降水、暴雨及洪水特性，建立两断面之间的一维水动力洪水预报模型，预报新绛断面的洪水流量与水位过程，开发新绛断面洪水预报系统。研究内容分为以下三个方面，技术路线如图1所示。

图1 技术路线图

（1）汾河下游柴庄至新绛断面之间暴雨及洪水特性分析

从年际和年内两个尺度分析柴庄—新绛站区间的降水特性；分析新绛站的暴雨特性，如暴雨发生时间、暴雨历时和暴雨强度等；分析柴庄站的洪水特性，如洪水历时、涨洪历时和不同历时洪量等；计算柴庄断面0～300量级、300～600量级、600～900量级、900～1200量级、1200～1500量级和1500～1800量级洪水过程线。

（2）建立汾河下游柴庄至新绛断面洪水的预报方案

采用一维非恒定流Saint-Venant方程组，建立汾河柴庄—新绛断面之间的洪水预报模型。选取汾河柴庄—新绛段2016年“7·19”双峰型洪水实测资料，进行参数率定和模型验证。采用汾河柴庄2015年8月3日实测流量资料，进行新绛断面洪水过程预测。根据柴庄站不同频率不同量级洪水计算结果，模拟预测新绛断面0～300量级、300～600量级、600～900量级、900～1200量级、1200～1500量级和1500～1800量级的洪水过程。

（3）新绛断面洪水预报系统开发

采用理论研究和应用研究相结合的研究方法，在总结现有国内外经验的基础上，从满足防洪减灾实际需求出发，制定洪水预报系统各项功能目标，研究洪水预报系统体系结构，最终将研究成果进行集成，开发完成一个业务化的洪水预报系统。

新绛断面洪水预报系统是一个集地形展示、降雨信息展示、不同量级洪水预测、两次大型洪水模拟分析，以及可实际操作演算于一体的系统。该系统是借助于一维水动力模型和HTML超文本标记语言来实现的，系统可根据实测流量来进行新绛断面的洪水流量计算。新绛断面洪水预报系统，操作简单且对数据资料要求不高，只需输入上游断面的流量数据，即可获取下游新绛断面的洪水过程预测。

3 汾河柴庄—新绛段洪水演进模拟

3.1 区域地形

从汾河柴庄水文站到下游新绛水文站，河道全长约58km，河道宽度在100～400m之间变化，河道平均纵坡约为1.3‰，河底沿程高程采用黄海高程。本研究模拟区域内，柴庄断面和新绛断面采用水文站记录资料，新绛水文站上游采用5个实测断面资料，模拟区域内其他断面采用插值得到。

3.2 参数选取

根据《山西河流洪水糙率》中，柴庄站洪水糙率表和汾河柴庄站糙率研究基本情况说明表，并结合模型试算率定结果，最终确定汾河研究区主河道糙率如表1所示。

表1 主河道糙率值

将这个河道糙率设置为默认值，由于实际资料的不足，无法确定准确合理的糙率值，因此给出如表2所示的河道糙率取值范围。在后续实际操作中，操作人员可根据经验来进行适当的取值。

表2 柴庄站洪水糙率表

3.3 模型检验

采用汾河柴庄—新绛段2016年“7·19”双峰型洪水实测资料，进行模型验证。上游采用“7·19”洪水柴庄站的实测洪水流量过程线作为入流条件，下游根据新绛断面实测断面形态，计算得到新绛断面的流量—水位关系，以此作为出流边界。

新绛断面实测资料从2016年7月19日下午3时开始记录，此时流量为140m3/s，后于2016年7月31日24时，流量降至100m3/s以下，因此，模型验证误差分析采用该时段进行比较，模拟时长共计300h。新绛断面水位实测与模拟值对比见图2，相对误差为δ=0.023%，相关系数为R2=0.993。

图2 新绛断面实测与模拟水位过程线

新绛断面流量实测与模拟值对比见图3，相对误差为δ=5.444%，相关系数为R2=0.973。

图3 新绛断面实测与模拟流量过程线

时段内实测洪水总量为23391.34万m3，模拟洪水总量为22657.33万m3，相对误差为3.14%。符合水文模拟误差允许范围，该模型对汾河柴庄—新绛段的洪水模拟结果可靠有效。

洪水总量及两次洪峰的流量、水位和到达时间的模拟值和实测值对比分析见表3。

表3 洪水要素分析

4 结论

采用一维非恒定流Saint-Venant方程组，建立汾河柴庄—新绛段洪水演进模型。采用汾河柴庄—新绛段2016年“7·19”双峰型洪水实测资料，进行模型验证。新绛断面水位实测与模拟值相对误差为δ=0.023%，相关系数为R2=0.993。新绛断面流量实测与模拟值相对误差为δ=5.444%，相关系数为R2=0.973。时段内实测洪水总量为23391.34万m3，模拟洪水总量为22657.33万m3，相对误差为3.14%。符合水文模拟误差允许范围，该模型对汾河柴庄—新绛段的洪水模拟结果可靠有效。

汾河下游新柴庄—新绛断面洪水预报系统，主要是将水动力模型与HTML语言相结合，实现洪水的预报和展示。利用信息数据库资源、一维水动力学模型以及HTML语言的集成，展示了汾河柴庄—新绛段的水文特定分析成果结果、流域信息、区域地形信息，以及部分实测和不同量级洪水预测成果等内容，并实现了根据柴庄断面的流量过程，进行新绛断面的水位和流量过程的预测。通过本次设计，拓展了在水文业务的应用，完善了汾河下游新绛断面的洪水预报系统，提高了洪水预报精度和管理水平，提供了防汛调度决策保障。

由于新绛站实测系列资料较少，无法确定准确合理的糙率值，可在表2所示的河道糙率取值范围中，根据经验进行适当取值。