基于中国洪水预报系统“杨洼闸～土门楼枢纽”预报方案的构建及实际应用分析研究

刘英才

（河北省廊坊水文勘测研究中心，河北 廊坊 065000）

1 概述

2021 年6 月26 日北运河北关枢纽至北京市界正式通航，北运河北京段的通航，给北京市水上交通运输业带来新业态、新情况和新要求，创造多项新的历史：北京市第一次出现航道和航运；第一次出现船闸等通航建筑物运行管理；第一次出现市内水路运输，同时也给北运河北京段下游土门楼枢纽的水文情报预报工作带来了极大挑战。

为保障北运河北京段通航质量，需将该河段水位抬高，且长期处于较高水位运行。预报或实际降雨出现后，基于河段行洪安全的考虑，北运河北京出境控制站杨洼闸需进行闸门调度提闸泄水，原预报方案已无法正常使用，需构建以杨洼闸为入流的北运河土门楼枢纽预报方案。

2 预报方案的构建

在往年的防汛工作中，北运河北京段无需考虑通航所需的保证水位，仅保留部分生态水量，依靠北关枢纽的调度控制下泄水量。原北运河北京段下游土门楼枢纽预报方案是基于中国洪水预报系统，依据上游三个入流模拟出土门楼枢纽的出流过程；通航后杨洼闸控制了大部分入流，预报方案变为以杨洼闸为主的两个入流模拟土门楼枢纽的出流过程。

2.1 原土门楼枢纽预报方案

北运河土门楼的洪水主要由通州北关拦河闸下泄洪水、凉水河洪水、凤港减河洪水及各闸的闸前蓄水组成，各洪水相迭加即为土门楼的洪水预报过程。

预报方案共包括3个输入，分别是北关拦河闸下泄流量、凉水河张家湾站流量、凤港减河区域产汇流，其结构图见图1。

图1 原北运河土门楼枢纽预报结构图

（1）对于北关拦河闸至土门楼及凉水河张家湾至土门楼的河道演算，选用常用的马斯京根法。其率定后的参数如下：

北关分河闸至土门楼站的马斯京根参数：X=-0.687， KK=1， MP=16。

张家湾至土门楼站的马斯京根参数：X=-0.653， KK=1，MP =7。

（2）凤港减河的洪水计算，汇水面积为220 km2。选用国内外常用的三水源新安江模型进行洪水计算，其率定后的参数见表1。

表1 凤港减河小流域优选出的新安江模型参数

考虑到凤港减河来水受军屯闸控制，在实际预报过程中，常根据闸门情况，在模型中的入流情况加入固定值。

2.2 “杨洼闸～土门楼枢纽”预报方案的构建

北运河北京段通航后，杨洼闸作为北运河北京的出境站需要控制北运河的整体水位以保障通航质量。杨洼闸位于北关拦河闸及凉水河汇入北运河入河口以下，杨洼闸泄水造成的洪峰量级远大于上游北运河北关拦河闸、凉水河张家湾站叠加的洪峰量级，造成了下游土门楼枢纽发生洪峰的贡献变化，洪峰的发生主要受杨洼闸下泄最大流量的影响。因此构建了以杨洼闸为主要模型输入的全新预报方案。

预报方案仅有1 个输入，为杨洼闸下泄流量，在实际预报过程中，还需考虑北运河土门楼木厂闸、青龙湾减河土门楼闸的闸前蓄水与上游来水进行叠加，其预报结构见图2。

图2 “杨洼闸～土门楼枢纽”预报结构图

对于杨洼闸至土门楼的河道演算，选用马斯京根法。受资料不足影响，参数MP 依据杨洼闸至土门楼枢纽的实际距离选取， X 值考虑不同传播距离坦化程度的线性变化依据经验确定如下：X=-0.637，KK=1， MP =4。

3 两种预报方案在北运河通航后的应用情况对比分析

以2021 年7 月5 日北运河土门楼枢纽洪水过程为例：7 月5 日至6 日，廊坊市北运河上游北京城区、通州区出现降水过程，城区平均降雨量32.0 mm，通州区平均降水量81 mm。

3.1 原预报方案预报结果

依据原方案考虑北运河北关拦河闸未进行提闸泄洪，考虑凤港减河流域平均降雨量及军屯闸闸门情况，其入流流量15 m3／s。通过中国洪水预报系统模拟北运河土门楼枢纽洪水过程见图3。

图3 原北运河土门楼枢纽预报模型预报结果

由于北关拦河闸未提闸泄洪，模型预报并未出现明显洪峰。

青龙湾减河土门楼闸7 月5 日19 时28 分闸门全提，闸上水位8.90 m，闸底高程7.88 m，依据闸前蓄水退水公式计算得出上游来水造成洪峰时，闸前蓄水造成的基流为50 m3／s。

基流与模型预报洪峰的叠加即为本次预报成果：北运河土门楼枢纽最大洪峰流量73 m3／s，峰现时间为7 月6 日6 时。

3.2 “杨洼闸～土门楼枢纽”方案预报结果

依据北运河杨洼闸7 月5 日18 时55 分出现最大泄量346 m3／s，凤港减河入流流量继续采用15 m3／s。通过中国洪水预报系统模拟北运河土门楼枢纽洪水过程见图4。

图4 “杨洼闸～土门楼枢纽”预报模型预报结果

模型预报洪峰360 m3／s，峰现时间7 月6 日0 时。依据闸前蓄水退水公式计算得出上游来水造成洪峰时，闸前蓄水造成的基流为50 m3／s。

基流与模型预报洪峰的叠加即为本次预报成果：

预报：北运河土门楼枢纽最大洪峰流量360 m3／s，峰现时间为7 月6 日0 时。

3.3 预报结果对比分析

实际过水过程为青龙湾减河土门楼水文站7 月5 日19 时45 分水位起涨，起涨水位9.02 m，相应流量162 m3／s，至7 月5 日23 时25 分出现洪峰流量352 m3／s，此后水位及流量缓慢消退。两种预报结果与实际洪峰、峰现时间误差情况见表2。

表2 预报误差情况统计表

由对比情况可以看出，当杨洼闸蓄泄洪水时，“杨洼闸～土门楼枢纽”预报方案的精度明显高于原方案。

3.4 误差原因分析

杨洼闸为北运河北关枢纽至土门楼枢纽之间的重要水利工程，其蓄泄调节作用直接影响到北运河土门楼枢纽上游来水情况。经对本次洪水进行复盘后发现，土门楼枢纽洪峰主要为杨洼闸加大泄量造成，其水量均来自北关闸至杨洼闸槽蓄水。本次洪水期间，北关拦河闸、凉水河入流等原方案影响因子未对本次预报产生影响。

4 “杨洼闸～土门楼枢纽”方案的缺点

（1）预见期缩短。原预报方案预见期一般为10 h～14 h，“杨洼闸～土门楼枢纽”预报方案中北运河杨洼闸至土门楼枢纽河长仅15 km，传播时间仅5 h 左右，预见期较之前明显缩短，水文情报预报人员需更加密切关注上游水情的实时动态变化，避免出现漏报情况。

（2）该方案仅适用于杨洼闸蓄泄洪水。依照调度规律，遇较大洪水或预报有强降雨过程时，杨洼闸一般提前排空底水全提迎汛，杨洼闸将不会对上游来水情况造成影响，考虑到该方案的预见期较短遇较大洪水发生时仍需适用原方案对土门楼枢纽进行洪水预报。

5 结论与展望

5.1 结论

（1）预报工作不能循规蹈矩墨守成规。预报方案不仅要针对各年度的过水状况及时进行修订，更要根据下垫面的变化及时调整和构建，确保预报方案更贴合实际情况。

（2）“杨洼闸～土门楼枢纽”预报方案建立时间较短，部分参数的确定来自于经验分析，后期需收集相关资料，对该方案进行率定，以提高方案的预报精度。

（3）当北运河杨洼闸不节制上游来水，北运河土门楼枢纽洪水依旧为北关拦河闸下泄洪水、凉水河洪水、凤港减河洪水及各闸的闸前蓄水组成，原“北关～土门楼”方案依旧适用。

5.2 展望

北运河正式通航至今，只经历一个汛期，用于模型率定及方案检验的资料较少，参数的适用性需进一步验证。后期加强相关资料收集整理工作，进一步提高方案参数的适用性。