丁寨水文站洪水预报方案研究

邹 润，林 苗，陈好山

（湖北省恩施州水文水资源勘测局,湖北 恩施 445000）

1 流域概况

1.1 自然地理

曲江是唐崖河左岸一级支流,发源于坪坝营镇落耳岩大洞,经筒车坝、湾田、曲江,在曲江镇马鞍山与野猫河汇合,经天星孔氽入溶洞（5 km）后,在断明峡轿子洞露头明流2.5 km,至断明峡注入唐崖河,河长28.3 km,流域面积357 km2,总落差约1042 m,河道坡度4.7‰,河网密度0.1 km/km2,多年平均流量8.5 m3/s。流域内山势险峻,植被较好,是“鄂西林海”的重要组成部分,两岸耕地和居民相对较少。流域水系图见图1。

图1 丁寨水文站流域水系站网分布图

1.2 水文气象

曲江流域属亚热带季风气候,峰面雨是降雨的主要特点。由于地形地貌的差异和海拔高度的变化,垂直差异大等山区气候特征明显。春季受海洋季风影响,海洋暖湿气团北进与极地冷气团交绥,形成梅雨；冬季为西伯利亚气候控制,冷暖气团交替,致使流域气候温和,雨量丰沛,且雨热同期。

曲江该流域气候温和,四季分明,冬无严寒,夏无酷暑,雨量充沛,日照偏少,湿度偏大,风速较小,雾日较多,无霜期长（低山）。流域内多年平均降水量为1313.4 mm,单站最大年降水量1911.0 mm。4 月~9 月为主汛期（降水占年降水的70%左右）,大暴雨多集中在6 月~8 月；1 月~3 月、10 月~12 月为枯季,降水较少。汛期河流洪水陡涨陡落,枯水期河流水位变化平缓。

1.3 水文站网

丁寨站水文站设立于2014年,位于丁寨乡鱼塘坪村,观测项目有降水、水位、流量等。预报断面以上河段全长17.0 km,流域面积189 km2。

流域内还设有甲马池雨量站1 处,设于1956年,实测最大日降水量为206.8 mm,发生在1997年7 月15 日。

1.4 水利工程

丁寨水文站预报断面上游支流龙王庙河建有龙王庙水库,水库集水面积4.45 km2,总库容20 万m3,主要功能为生产生活供水及农田灌溉。该水库集水面积较小,洪水期无调节能力,本次预报方案场次洪水计算不考虑其影响。

预报断面下游的丁寨电站、段明峡电站以及位于下游右岸支流野猫河水库及在建龙洞湾水库,水库回水均对本预报断面无影响。

2 水文预报方案编制

结合流域特性分析,丁寨水文站预报方案编制中产流预报采用降雨径流相关图法,汇流预报采用单位线法（即API模型）。该流域属鄂西南山区,属湖北省第十水文分区,适应南方湿润地区的蓄满产流模型。丁寨水文站场次洪水预报水文要素主要包括洪峰流量、洪水总量及洪峰出现时间等水文要素。丁寨水文站流域洪水预报方案依据丁寨水文站实测水文资料,采用API 模式进行洪水水文要素的分析和计算,该预报方案包括流域产流方案和流域汇流方案。

2.1 产流预报

2.1.1 资料引用

丁寨水文站降水、水位均采用遥测系统自动采集与传输,每月进行资料整编。该洪水预报方案编制引用了丁寨水文站、甲马池雨量站2015年~2021年实测降水资料。

流域内仅有丁寨、甲马池雨量站,可采用算术平均法计算流域平均雨量。用流域退水曲线分割次洪径流,流域退水曲线采用丁寨水文站洪水退水面无降雨或基本无降雨的大、中、小且比较单一的洪水过程,并根据实际情况按洪峰流量大小综合,退水曲线见图2。

采用流域综合退水曲线分割不属于本次洪水的径流后,用面积包围法计算次洪径流深。一次降雨所形成的径流过程确定后,R 的计算公式如下：

式中：R 为深,mm；Qi为流量,m3/s；∆t 为计算时段,h；A 为流域面积,km2；3.6 为单位换算系数。

2.1.2 前期影响雨量计算

影响产流的第一因素是降水,而另一个重要的因素是土壤含水量,由于土壤含水量的实测资料缺乏,因此用前期影响雨量代替土壤含水量。

前期影响雨量的计算公式为：

式中：Pa,t为t 日的前期影响雨量,mm；Pa,t-1为上日的前期影响雨量,mm；Pt-1为上日的降雨量,mm；K 为土壤含水量的日消退系数（折减系数）；Rt为产流产生的径流量,mm。

2.1.3 折减系数K 的计算

由于前期影响雨量（土壤含水量）的消退仅仅消耗于流域的蒸散发,每日土壤蒸发量计算公式为：

所以K=1-Et/Pa,t。当流域的前期影响雨量达到流域土壤最大蓄水量（可供蒸发的水量）时,流域的蒸散发量达到流域的蒸散发能力。

式中：Em为流域蒸散发能力,mm；Wm为流域最大土壤含水量,mm。

流域最大损失量是指历次洪水中损失的最大值,在数值上等于流域土壤最大蓄水量（蓄水容量）。根据该流域雨洪资料分析,按Im=P-R-Em计算,选取Pa≈0 的场次洪水分析综合后确定Wm,本流域Im采用60 mm。

2.1.4 流域蒸散发能力的确定

流域蒸散发能力的大小主要决定于气象条件,蒸散发面的性质,植物的类型及其覆盖面,由于该流域及邻近流域无蒸发站,故本方案借用恩施水文站E 601 型蒸发器的实测资料值代替Em。由于Em随月份的不同,所以K 值也不同,本次分析为简便起见,根据计算结果并结合本流域特性综合取K=0.85。

2.1.5 P~R~Pa相关图

以前期影响雨量Pa作参数,建立丁寨水文站降雨径流相关图,见表1、图3。

序号 降雨量/mm前期影响雨量/mm 0 10 20 30 40 50 60 1 0 0 0 0 0 0 0 0 5 20 0.15 0.8 2.0 3.0 5.2 8.5 13.1 9 40 0.9 3.3 6.9 11.0 16.8 23.9 31.8 13 60 6.80 12.1 18.2 26.6 34.8 43.3 51.8 17 80 20.8 29.3 37.8 46.3 54.8 63.3 71.8 21 100 40.8 49.3 57.8 66.3 74.8 83.3 91.8 25 120 60.8 69.3 77.8 86.3 94.8 103 112

2.2 流域汇流预报

流域汇流计算采用瞬时单位线法。流域的汇流是流域上各处的净雨演变为出口断面流量的过程,包括坡面汇流和河网汇流。由于坡面汇流时间很短（不单独分析）,直接用河网单位线代替流域单位线,本方案采用经验单位线法计算流域汇流过程。

2.2.1 时段净雨量推求

按各场次洪水的Pa及各时段的累计雨量,由降雨径流关系计算各时段累计径流深,相邻时段相减得出各时段的径流深。根据时段的径流深及单位线就可以推求净峰流量过程。

2.2.2 单位线推求

根据丁寨水文站实测洪水水文要素摘录资料,用试错法推求该断面的单位线,并考虑汇流的非线性影响,按暴雨中心位置确定瞬时单位线（单位时段长取1 小时）,然后利用1小时单位线的累计曲线转换成30 分钟单位线,故丁寨水文站断面的汇流计算可以采用1 小时或30 分钟单位线进行汇流演算,流域1 小时单位线成果见图4。

图4 丁寨水文站断面1 小时单位线图

2.3 预报方案的检验与评定

该方案合格率的评定按照《水文情报预报规范》（GB/T 22482-2008）标准评定,水文预报制作方法按照《湖北省洪水预报方案汇编技术标准》鄂水文（92）39 号及《长江流域洪水预报方案修编实施方案》编制。

2.3.1 方案的评定标准

径流深的许可误差以实测径流深的20%作为许可误差。当该值小于3 mm 时,许可误差取3 mm；当该值大于20 mm时,许可误差取20 mm。洪峰流量许可误差以实测洪峰流量的20%作为许可误差。峰现时间许可误差：以预报时间到实测洪峰出现时间之时距的30%作为许可误差,当许可误差小于3 小时,取3小时。

2.3.2 评定成果及检验

根据实测水文资料对丁寨水文站水文预报方案进行评定,见表2。在评定过程中发现一些突出点据。突出点据产生的原因是：一是用算术平均法计算流域平均雨量产生误差；二是暴雨中心不同导致产生的洪水过程不同；三是连续降雨形成的复式峰与用简单归纳法统计的降雨径流关系与单位线所计算的流量过程有一定的误差。

表2 丁寨水文站洪峰流量预报误差评定表

2.4 方案应用

在实际作业预报时,应充分考虑土壤前期含水量、降水发生区域（上游、中游、下游或局部）以及水源组成影响。

（1）从降水前30 天或大雨过后土壤含水量达到饱和蓄水量60 mm 时作为起算点计算前期影响雨量Pa。

（2）用算术平均法计算流域平均雨量（甲马池、丁寨站平均值）。

（3）用流域平均雨量及前期影响雨量采用产流方案预报径流量。

（4）根据单位线得到洪峰流量及峰现时间。

3 结论及建议

3.1 结论

丁寨水文站断面洪水预报方案采用API 模型编制,预见期为1小时。经检验,预报方案精度符合乙等预报方案规范要求。因汇流域面积较小,流域河槽短,故在进行实时预报作业时宜采用1 小时或30 分钟的单位线进行计算。

3.2 建议

（1）弥补站网不足。建议在龙王庙水库、筒车坝等区域新建雨量站,补充站网不足影响。

（2）强化气象预警。为满足曲江镇防汛抗旱减灾工作需要,建议与咸丰县气象局开展技术合作,及时掌握流域气象未来变化趋势等情况。

（3）强化方案修编。流域内发生较大洪水后,应及时开展分析研究,修编完善预报方案,提高预报精度。