汉口水文站高洪期单值化法报汛方案研究

高敏 纪彭 郭含 邹振华

摘要：汉口水文站是长江中游干流重要的防洪控制站，为了给洪水预报决策提供更准确的数据支撑，需要优化汉口水文站报汛方案以提高报汛精度。分析了汉口水文站高洪期单值化法与临时曲线法报汛方案，并与实测值对比进行了精度验证。结果表明：采用临时曲线法报汛时，汉口水文站在高洪期受下游顶托时，相应流量报汛存在“上下跳动”的现象;采用单值化法报汛效果较好，特别是在受下游来水顶托时该方法的精度更高。

关键词：报汛方案;水位-流量曲线;单值化法;临时曲线法;高洪期;汉口水文站

中图法分类号：P338 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.05.002

文章编号：1006 - 0081（2021）05 - 0006 - 04

1 研究背景

2005年，长江水利委员会水文局（以下简称“水文局”）率先在全国实现了118个中央报汛站自动报汛，遥测项目主要为水位和降水[1]。2010年至今，水文局运用水情信息交换系统进行水情报汛与信息交换，由于流量尚未实现在线监测，水情分中心主要根据水位变化进行相应流量报汛[2]。相应流量报汛方法通常根据各水文站的水位流量关系特性来确定，目前较为常用的方法有水位流量单一线法、临时曲线法、单值化法以及差分模型等[3-5]。汉口水情分中心负责的5个水文站一直采用临时曲线法進行相应流量报汛，流量误差精度满足相关要求。

2020年，长江武汉河段受到洞庭湖和鄱阳湖“上下夹击”，长期处于高水位，尤其是鄱阳湖以及鄂东北倒、举、巴、浠等中小河流的顶托影响，导致汉口（武汉关）水文站（以下简称“汉口站”）流量在同一水位级下偏小，虽然采用临时曲线法开展相应流量报汛的精度能够满足要求，但在一些时段仍存在“上下跳动”的现象（图1）。作为长江中游的防洪控制站，汉口站高洪期的水情受到了社会各界的广泛关注。为给上级部门预报决策提供更为准确的数据支撑，实现精准发布相应流量信息，需要对高洪期相应流量报汛方案作出优化。汉口站现行整编方法采用的是单值化法，它满足在多种水力因素影响条件下整编定线要求，在一般年份可以定出符合规范要求的水位-流量单一关系线[6]，但在相应流量报汛方面一直未开展单值化法的研究。本文通过进一步分析汉口站单值化方案，挑选有代表性的年份率定公式参数，研究汉口站高洪期单值化报汛方案，可为临时曲线法相应流量报汛提供参考。

2 基本情况

2.1 汉口站基本情况

汉口站始建于1865年，站址位于湖北省武汉市武汉关，是监测长江中游干流武汉河段在汉江汇入后水沙资料的基本水文站。基本水尺断面位于长江中游干流左岸武汉关，上游左岸约3 200 m处有汉江汇入，流量测验断面位于基本水尺断面下游约5 400 m，测验断面呈单式河床，左浅右深。左岸河床由细沙组成，冲淤变化较大，右岸河床由粗沙组成，河底不平顺，主槽偏右较稳定。河段顺直，下游呈喇叭型，两岸均筑有砌石护坡，大堤脚有防浪林。

汉口站集水面积1 488 036 km2，多年平均年径流量7 058亿m3，年平均降水量1 217.0 mm，历史最高洪水位为29.73 m（1954年8月8日），最低水位11.70 m（1961年2月15日），最大流量76 100 m3/s（1954年8月14日），最小流量4 830 m3/s（1963年2月7日），水位级划分见表1。全年采用单值化法——落差指数法，按单一线布点和资料整编。

2.2 2020年水情概述

2020年1～5月长江流域降雨偏少，受上游来水较小的影响，长江武汉河段底水低，水位较往年偏低1～2 m。进入6月份，受上游区域性暴雨影响，长江武汉河段水位开始上涨。由于5月29日入梅，较往常偏早10 d，且6月份以后长江流域降水量比多年平均值偏多两成，7月7日07：00，汉口站水位达到警戒水位27.30 m，7月12日23：00水位达到28.77 m，为建站以来第四高水位。伴随着长江第1，2，3号洪水相继形成，中下游干流武汉河段长期处在高水位，超警时间达到32 d。

武汉地处长江中下游，长江武汉河段两岸支流、湖泊众多，江湖关系复杂，水情受多种因素影响。上游来水主要有长江干流的下泄水量、洞庭湖方向的来水及汉江方向的支流汇入，下游可能会受到倒、举、巴、浠、滠等武汉周边中小河流及鄱阳湖的顶托。2020年7月份，受到强降雨影响，洞庭湖和鄱阳湖水位居高不下，长江武汉段受到“上下夹击”，洪水宣泄不畅，后又受到倒、举、巴、浠、滠等河流的顶托，导致高水期水位流量关系大幅偏左，同水位下流量偏小（图2）。

2.3 报汛现状

汉口站一直采用临时曲线法进行相应流量报汛，该方法需要技术人员根据多年的人工报汛经验，结合实测流量科学地研判水位流量关系的变化，从而绘制临时曲线开展相应流量报汛，必要时结合上下游水文（水位）站同时刻水位落差综合分析，及时对报汛线进行修正。临时曲线法依赖人为经验，一般在涨落水面上吻合较好，而在一场洪水的极值附近，由于无法精确绘制出峰顶或峰谷“掉头”的线型，会导致一定误差。2020年，汉口站水位达到历史第四高水位，高水期受到鄱阳湖和倒、举、巴、浠、滠等河流的顶托作用，水位流量关系大幅偏左，加大了人为经验判断的难度。因此，采用临时曲线法开展相应流量报汛，精度虽然能够满足要求，但还存在一些“上下跳动”的现象，还需要优化高洪期报汛方案。

对于采用单值化法按单一线布点和资料整编的测站，相应流量报汛可采用单值化法。单值化法是根据已经单值化的数学模型、率定的公式参数和人工绘制的水位-校正流量关系线，反推水位-流量关系，开展相应流量报汛。汉口站的单值化方案在公式参数率定时，样本采用了汉口水文站及辅助站2003～2008年共6 a的连续水位流量资料，没有大水年;采用汉口站单值化方案对汉口站1996～2002年资料进行验算。一般情况下，定一条关系线可以满足要求，但由于大水年份下半年测点水位明显偏小，只能按上下半年分别定线，当两线衔接处流量过程线出现跳跃，以流量过程线光滑为原则进行流量改正。由于汉口站参数率定的时候未考虑大水年，大水年定线要分两条，相应流量报汛操作起来较为复杂且有任意性，因此汉口站一直未采用单值化法进行相应流量报汛。

3 单值化报汛方案

汉口站一直沿用的单值化方案将汉口站长江上游的石矶头水位站、汉江上游的汉川水位站及长江下游的黄石港水位站当作辅助水位站，计算代表年的综合落差，采用合理的落差指数，计算校正流量。为现行的临时曲线法报汛提供参考，开展高洪期单值化法进行相应流量报汛，本文挑选有代表性的年份率定汉口站单值化方案公式参数。

考虑到2020年高水期受到下游顶托而导致流量偏小，采用2020年1～7月部分数据作拟合线，根据某时刻汉口站水位在该拟合线上查算出校正流量，再根据汉口站水位及其上游3个辅助水位站的水位，计算综合落差，反推出汉口站该时刻的还原流量。

3.1 数据资料

根据2020年水情的特殊性，尤其考虑到汉口站水位较高，且受到下游顶托影响较为严重，本次研究选用具有代表性的年份：1954，1998，2019，2020年。

1954，1998年的大洪水期间均出现了上游来水大，洞庭湖猛灌，下游鄱阳湖涨水严重，对长江武汉河段形成顶托态势的情况。2020年为本年资料，最具有代表性，2019年河段特性、断面情况、来水条件与2020年较为接近。

3.2 基本公式

汉口站水位流量关系主要受洪水涨落、变动回水、断面冲淤变化等综合水力因素影響，呈不规则的绳套关系，需要采用综合落差指数法进行处理，使水位流量关系单值化。

汉口站单值化方案以上游长江石矶头站水位、下游黄石港站水位及汉江汉川站水位为落差水位，与汉口站水位落差建立水位流量函数关系。

式中：Q为流量;Z0为汉口（武汉关）站水位;Z1为石矶头站水位 ;Z2为黄石港站水位;Z3为汉川站水位;Km1，Km2，Km3为落差权重变动系数;B0为综合落差改正值。当汉川的水位与汉口站的差值大于4 m时，Km3、Zm3参与计算。

2020年汛期，汉川站与汉口站的水位差值一直小于4 m。2020年7月8日12：00，汉川站超过警戒水位29.00 m，但超警是长江洪水顶托所致，非汉江上游来水，汉江并未对武汉段水位流量关系的变化起较大的作用，因此本次单值化报汛公式中不考虑汉川站与汉口站的落差影响;同时，考虑到汉口（武汉关）站、石矶头站、黄石港站采用的高程基面不同，为了让落差更为真实合理，根据3个基面的换算关系，对以往的公式进行了一定修改。

3.3 参数率定

本次率定参数选用1954，1998，2019年全年实测资料与2020年1月1日至7月19日的实测资料。通过自编程序计算，优选落差权重变动系数Km1、Km2、落差指数α。对q=（1/K1）×Qm/（K2×Zm）α计算的校正流量点，应用“浮动多项式配方程模型”进行单一线拟合，选取使得拟合的单一线标准差最小的落差权重变动系数Km1、Km2、落差指数α，最终确定落差指数Km1=0.36，Km2=0.10，α=1.055 789 936。

3.4 单一线拟定

2020年全年测验尚未结束，不能定出满足一类精度站定线标准的水位-校正流量单一关系线，为满足报汛时效性的要求，本文单值化定线采用2020年1月1日至7月19日资料系列共计31个测次，在EXCEL表中采用6次多项式拟合（图3），R2 = 0.999 1，得到公式如下：

4 单值化法报汛方案精度分析

由于2020年年终整编尚未开展，目前先对2020年至今所有的62个测次分别计算单值化法和临时曲线的报汛流量，并与实测流量结果对比（见表2）。结果表明：总体来说，单值化法报汛精度较临时曲线法高，误差范围、随机不确定度均比临时曲线法小，误差小于5%，2%的个数均比临时曲线法多。然而，单值化法系统误差比临时曲线法大，是因为临时线法绘制的曲线“上下跳动”，流量偏大或偏小，正负相抵，显得系统误差比较小。因此，单值化法有进一步优化的空间。

本次研究的单值化法报汛在高水期，尤其是受到下游顶托时的效果更佳，可以敏感地反映出倒、举、巴、浠、滠等武汉周边中小河流及鄱阳湖的顶托作用。例如在2020年7月6，12日等受到下游顶托影响，同水位下流量偏小时，单值化法的报汛流量明显比临时线法精度高（见图4）：7月6日，实测流量50 900 m3/s，单值化法计算流量得50 600 m3/s，临时线法计算流量得55 700 m3/s。此外，与实测流量相比，单指化法计算得出的流量偏小，临时线法计算得出的流量偏大。

5 结论与展望

汉口水文站高洪期单值化法报汛方案精度高于临时线法，临时线法在没有实测流量的情况下，只能通过人为经验判断，会存在一定偏差。本次研究的单值化法报汛误差绝对值在5.44%以内，单值化法能够将上下游落差的变化及时反映在水位流量关系上。因此，可以在临时线法报汛的基础上，采用单值化法流量进行验算，如存在计算值偏大或偏小的情况，可取平均值，能较好地保证报汛精度，可为防汛决策提供准确的数据支撑。

本次研究仍存在样本年份不足的问题，后续还将进一步补充分析资料样本，包含1955年以来丰水年份（如1999，1996，2002，2016年等）资料，定出丰水年满足一类精度站定线标准的水位-校正流量单一关系线进行报汛，进一步优化高洪期单值化报汛方案。此外，还可加入汉江较大秋汛年份、枯水年份等资料确定公式、率定参数，用更高的标准定线，来研究适应性更强的单值化法报汛方案。

参考文献：

[1] 周凤珍，刘少安，香天元. 自动报汛技术相关标准体系适应性初探[J]. 水文，2007（1）：56-58，74.

[2] 邹冰玉. 相应流量自动化实时报汛技术研究与应用[J]. 人民长江，2011，42（4）：54-57.

[3] 周新春，邹冰玉，欧阳春. 自动报汛中相应流量转换系统研究[J]. 人民长江，2006（2）：28-29，36.

[4] 段江勇，潘暢，陈大玄. 相应流量推算方法与报汛精度控制措施研究[J]. 水利水电快报，2019，40（3）：26-30，41.

[5] 陈新国，王立海，欧阳骏. 基于水情信息交换系统的报汛方式研究[J]. 水利信息化，2014（5）：51-53，63.

[6] 张亭，吴尧. 汉口水文站水位流量单值化方案及其应用[J]. 人民长江，2014，45（9）：39-42.

（编辑：江 文）

Abstract： Hankou hydrological station is an important flood control station in middle Yangtze River. In order to provide more accurate data support for flood forecasting and decision making ， it is necessary to optimize the determination method of stage-discharge relation of Hankou hydrological station to improve accuracy of flood reporting. We analyzed flood reporting scheme of Hankou hydrological station during high flood period by comparing single value method and temporary curve method，and then verified the results with measured data. The results showed that when the temporary curve method was adopted， a phenomenon of "jumping up and down" existed in the reported discharge， especially when backwater effect exists in downstream. Therefore，single value method， with higher accuracy， is a more effective flood reporting method， especially when backwater effect exists in downstream for Hankou hydrological station.

Key words： flood reporting scheme; stage-discharge relation curve; single value method; temporary curve method; high flood period;Hankou hydrological station